PROJET DE FIN D'ETUDES - beep.ird.fr · Abdourahimou NDIAYE . Je dédie ce rapport à ma défunte mère Ramatoulaye BA pour toutes ses prières et les valeurs qu'elle nous a inculquées

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rr==============-~~---_."--""--:-C:..=_===:=== UNIVERSITE CHEIKH ANTA DIOP :.\:-~ DAKAR l~

• ,

l

l ECOLE SUPERIEURE POLYTECHNIQUE Centre de Thiès

DEPARTEMENT GENIE MECANIQUE

PROJET DE FIN D'ETUDES , POUR L'OBTENTION DU DIPLOME D'INGENIEUR DE CONCEPTION

CONCEPTION D'lIN NOUVEAU SYSTEME DE , CLIMATISATION POUR L'AMELIORATION DU CONFORT

THERMIQUE DANS L'HABITAT

" Présenté par: Papa Ibrahima MANE Abdourahimou NDIAYE

•

•

Directeur de projet: Salif GAYE, Docteur d'Etat ès Sciences--

AN1\TEE ACADEMIQUE: 2004 - 2005

1

DEDICACESl

Papa Ibrahima MANE

A mon père Un ami, infatigable pour le bien être et la réussite de ses enfants.

A ma mère l Brave, nous ne saurions la remercier pour ses prières et ses conseils.

1 A toute ma famille Kara, Astou, Ismaël, Amy Collé, Mme CISSE et son mari Souleymanr..

l A toute ma famille à travers tout le Sénégal.

l A ma grand mère Anta DIOP

1 A tous camarades «mécanos»

Pour leur soutien de tout instant.

A tous mes amis

1 A tous ceux qui m'ont soutenu et encouragé durant ma formation

M. SENGHOR, les amis de mon père, M. MANDIANG et tous les professeurs du f~,l':n'r(':

mécanique.

A Abdourahimou NDIAYE Pour sa pertinence, sa largesse d'esprit et sa grande contribution à la réalisation de cc

projet.

à Amina MANE ... ,

i

Abdourahimou NDIAYE

Je dédie ce rapport à ma défunte mère Ramatoulaye BA pour toutes ses prières et

les valeurs qu'elle nous a inculquées.

A mon père pour son assistance en toute situation et sa générosité.

l

A ma tante Aby SV.

A toute ma famille, ma grande sœur Maïmouna NDIAYE, pour sa présence à mes cotés

l dans tous les moments difficiles et sa gentillesse. Ma petite sœur Bineta NDIAYE, à mon

petit frère Thiemo NDIAYE, Ami NDIAYE et à mes grands frères Baba et Amadou l

NDIAYE pour leur disponibilité, leur compréhension. A Fama NDIAYE et sa famille à

1 Saint Louis, à Kadia du côté de Keur Mbaye FALL, Houlèye en France, Dieynaba et

Rarnatoulaye NDIAYE A la plus petite de mes sœurs Salla NDIAYE.

A mon oncle Djiby SOW.

A tous mes amis, mon cousin et ami Mamadou BA, Hamidou MBENGUE, Omar FAYE,

Boubacar DIALLO, Serigne NDIAYE, Abdou THIAM, Abou SOW, Ndiassé NGOM.

, A Bineta SARR dite MAMA, à sa mère et à toute sa famille.

1 A tous mes amis mécanos de l'AEGM02, à tous les étudiants de la 6ème promotion de

., l'Ecole Supérieure Polytechnique centre de Thiès.

1 Particulièrement à mon collègue de travail dans ce projet Papa Ibrahima MANE, pour son

ouverture d'esprit, sa persévérence, son efficacité et son dévouement.

1

1

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•

i

1

REMERCI; ~vIENTS

Nous tiendrons particulièrement à remercier notre encadreur M. Salif GAYE,

Docteur ès Sciences Physiques et Maître assistant à l'Ecole Supérieure Polytechnique,

-, pour ses suggestions, son ouverture à la discussion et sa disponibilité.

Nous remercierons aussi M. Alassane DIENE, M. Banda NDüYE professeur de l

froid et climatisation à l'Ecole Supérieure Polytechnique, toutes nos remerciements à M.

Seni TAMBA. L'aide de Mme CAMARA (E.S.P. Dakar) nous a été très utile quant auxl processus de fabrication et des coûts de main d'œuvre pour cela nous tenons à la remercier.

l Nous aimerions enfin exprimer notre sincère reconnaissance à tout ceux qui ont

participé de près ou de loin à l'accomplissement de ce travail, à tous ceux qui nous ont

soutenu pendant l'année scolaire.

1

i

-]

SOMMAIRE

Le but de ce projet est de concevoir un nouveau système de climatisation qui

permettrait d'améliorer, à moindre coût, le confort thermique du sénégalais moyen.

l Le domaine autour duquel s'articule le projet c'est-à-dire la climatisation à eau

glacée est un domaine dans lequel pas mal de recherches ont été, jusqu'à présent, menées. l

C'est dans l'optique d'améliorer et de permettre une meilleure accessibilité aux

conditions de confort que ce sujet a été traité afin d'obtenir un appareil avec ventilo

convecteur qui permettrait de créer un confort acceptable dans les locaux existant par

intermittence ou en continu (en fonction des moyens de l'utilisateur). En effet pour

1 fonctionner correctement l'appareil doit être chargé avec de la glace qui va fondre au bout

d'un certain temps à déterminer. Par exemple, pendant la nuit, si avec une charge de 200 F

CFA on a trente minutes à une heure de confort pendant l'été, ce temps nous permettra de

trouver le sommeil. Cet appareil pourra aussi servir en même temps de fontaine par

l'intermédiaire d'une vanne utilisée en même temps comme bouchon de vidange pour Je,

1 nettoyage.

C'est ainsi que notre étude nous a mené à un appareil constitué d'un échangeur de 1

chaleur où on fait circuler l'air soufflé par un ventilateur dans plusieurs serpentins qui

plongent dans de la glace fondante. L'air sort ainsi à une température assez basse, qui sera

fonction de la l'état de l'air à l'entrée, permettant d'obtenir l'ambiance désirée dans le ,

local.

Avec une puissance de l'appareil d'environ 12 W, la consommation en électricité

sera assez faible, comparé aux appareils de conditionnement sur le marché, ce qm

.. permettra d'amoindrir considérablement les coûts d'exploitation dus à l'électricité.

Pour améliorer les performances de l'appareil la tuyauterie d'admission pourra être .. enterrée dans le sol, afin de diminuer la température d'entrée de l'air au niveau de

l'appareil, à une profondeur à déterminer avant d'entrer dans l'échangeur mais cette aspect

n'entre pas dans le cadre du projet et fait l'objet d'une autre étude. -Mots clés: confort, climatisation à eau glacée, ventilo-convecteur, coûts d'exploitation.

1

1

TABLE DES MATIER.

Liste des tableaux l

] Liste des symboles et abréviations . III

1

1 Première partie: A - ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE

6

l INTRODUCTION .

Al - Conditionnement de l'air '" 1

Page

Liste des figures ..

. 11

Al - 1 L'air sec. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

Al-2L'airhumide..................................................................... 8

Al - 2.1 La quantité de chaleur de l'air humide. .. . .... .. .. .. . .. . . . Il

Al - 2.2 Température sèche et température humide de l'air......... Il

Al - 2.3 Les diagrammes psychrométriques................................. 12

Al - 2.4 Refroidissement, humidification et déshumidification de l'air.. 16

A2 - Bilan énergétique du bâtiment........................................................... 17

A2 - 1 Interactions entre climat et bâtiment...... . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . .. .. . . . 18

A2 - 2 Utilisation des données météorologiques....... . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

A2 - 2.1 Température extérieure............................................. ... 21

1 A2 - 2.2 Ensoleillement. . 22

A2 - 2.3 Vitesse et direction du vent.......................................... 24

A2 - 3 Transfert de chaleur............................................................. 24

A2 - 3.1 Transfert de chaleur par conduction............................. .... 24

A2 - 3.2 Transfert de chaleur par rayonnement.............................. 27

• A2 - 3.3 Transfert de chaleur par convection . 30

A2 - 4 Transmission thermique des éléments de construction en régime •

stationnaire...................................................................... 35

A2 - 4.1 Résistances thermiques pour des couches homogènes . 35.. A2 - 4.2 Transmission thermique.............................................. 36

-mr-~~~~ --.. ..... ...-......,~._~ ...., -_ _.

:1

"J

A2 - 5 Apports internes de chaleur... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

~ A2 - 5.1 Les échanges du corps humain avec J':.. ambiant. . 40

A2 - 5.2 Appareils à gaz . 47

A2 - 5.3 Appareillage électrique . 48

A2 - 6 Données de base . 49~ A2 - 6.1 La position géographique . 49

l A2 - 6.2 Heure solaire, heure locale .. 50 , A2 - 6.3 Orientation parois .. 50

A2 - 7 Formulaires pratiques des différentes charges .. 51

'1 A2 - 7.1 La chaleur dégagée par les personnes : Qip .. 51

A2 - 7.2 La chaleur dégagée par l'éclairage : Qie . 51 1

A2 - 7.3 Chaleur dégagée par les appareils, machines et sources

diverses : Qid . 52

Al - 7.4 Chaleur dégagée à travers les parois : Qpr .. 52 :1

A2 - 7.5 Chaleur transmise à travers les vitrages: Qev .. 53

Al -7.6 La chaleur dégagée par le renouvellement d'air: Qra .. 55 1

A2 - 7.7 La chaleur perdue à travers les gaines de

'J distribution : Qeg . 56

Al - 7.8 La chaleur dégagée par les ventilateurs : Qvts . 56 -1

A3 - Confort thermique dans l'habitat. . 58

1 A3 - 1 Qu'entend- on par confort ou inconfort? .. 58

A3 - 2 Conditions de confort . 60 "1

A3 - 2.1 Confort hygro-thennique . 62

1 A3 - 4.2 Mesure du confort .. 64

A3 - 4.3 Tentatives de mise en équation des conditions de confort.. ... . 65 1

A4 - Climatisation artificielle .. 67

..A4 - 1 C· ircuit aI d' . ,r con monné . 67

A4 - 2 Calcul théorique et détermination des différents paramètres . 71•

A4 - 2.1 La puissance calorifique de l'installation .. 71

A4 - 2.2 Le débit d'air à envoyer dans le local à climatiser. . 88

Î

A4 - 3 Bilan thermique de l'appareil . 93

A4 - 3.1 Convection . 94

A4 - 3.2 Conduction . 101

A4 - 3.3 Quantité théorique de chaleur reçue par le bain d'eau

Glacée . 103

A4 - 4 Estimation de la durée de la charge . 104 1

A4 - 5 Estimation de la température effective de sortie de l'air de

1 l'appareil . 105

A4 - 6 Types de climatiseurs . III 1

Deuxième partie: B - PROPOSITION D'UN NOUVEAU SYSTEME DE 1

CLIMATISATION

BI - Schémas de l'installation , 118

BI - 1 Principe général de fonctionnement. " .. .. .. .. . . . . . .. . . . . 123

') B2 - Conception et dimensionnement des composants de

l'appareil.................... 125

'1 B2 - 1 Dimensionnement du ventilateur... . .. . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . 125

B2 - 1.1 Pertes de charges...................................................... 130

B2 - 1.2 Puissance '" ., . . . . . . . . .. . .. . . . 138

1 B2 - 1.3 Niveau de puissance sonore......................................... 139

B2 - lA Mode d'entraînement du ventilateur. . .. . . . . . . . . . . ... . . . . . . . . . . . . . .. 140

1

B3 - Etude de fabrication de l'appareiL...................................................... 141

B3 - 1 Présentation du logiciel: emachineshop

B4 - Etude économique , 148

B4 - 1 Le coût de fabrication................................ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 148

" B4 - 2 Coût de réalisation de chaque pièce.......................................... 149

B4 - 3 Coût d'exploitation de l'appareiL.......................................... ... 150•

B4 - 3.1 Frais d'exploitation................................................... 150

• B4 - 3.2 Coût de la consommation en énergie électrique.................. 151

i

B4 - 3.3 Coût de l'entretien . 151 l

B4 - 4 Interprétation du résultat...................................................... 152

B5 - Evaluation du système.................................................................. 153

B5 - 1 Performances . 153

B5 - 2 Limites.......................................................................... 153

1 B5 - 3 Avantages . 153

B5 - 4 Inconvénients.................................................................. 153 1

B5 - 5 Etude comparative avec quelques appareils existants..... ... .. .. . . .. . . .. 154

CONCLUSION.... 156

RECOMMANDATIONS..................................................................... 158

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES................................................ ... 159

ANNEXES 1.................................................................................... 160

1- Le bruit et le confort. . .. . . . . . . . . . .. . . . 161

1- 1 Nature des sons.... . . . . .. 162

1- 2 Echos et réverbérations, confort sonore d'une salle,

effet masque.. . .. . . . .. . . .. . . .. . .. 163

1- 3 Effets physiologiques des bruits, infrasons, confort et

réglementation , . 164

II - Orientation du local. . 168

III - Entretien . 172

LISTE DES TABLEAU~'

1.A2

2.A2 l

3.A2

4.A2l

5.A2

6.A2

1.A4

2.A4

3.A4

4.A4

5.A4

6.A4

7.A4

8.A4

l.B2

2.B2

l.B3

l.B4

2.B4

l.B5

1

Page

Valeurs des coefficients a, b et n pour le calcul de hce . 33

Valeurs des coefficients g, f et m pour la détermination de hci . 34

Dégagements individuels de chaleur des personnes . 45

Dégagements de chaleur d'appareils électriques . 48

Facteur de pondération Pe . 52

Coefficient a pour les ventilateurs . 57

Feuille de calcul simplifié . 74

Facteur de réduction g pour fenêtres protégées . 77

Coefficient d'absorption « A» pour murs, toits et fenêtres . 78

Heures où le besoin de climatisation est maximal dans les

locaux ayant différentes orientations .. 80

Conditions extérieures et intérieures . 85

Feuille de calcul simplifié .. 86

Détermination de la température de sortie effective de l'air. . 109

Différents systèmes de climatisation existant. . 112

Résistances locales converties en longueurs ficti ves (en m) " . 134

Rugosités de quelques matériaux . 136

Procédés de fabrication . 142

Prix des différents composants . 148

Coût de la main d'œuvre . 149

Comparaison de l'appareil avec des climatiseurs existant. . 154

LISTE DES FIGURES l Page

D· orne nque . 15LAI iagramme psych 't .

1.A2 Rayonnement entre deux surfaces . 29

2.A2 Division du composant en couches homogènes . 37

· · , h' d' .3.A2 Loca1isation geograp ique un site . 49

. d' .O .4.A2 nentation une. paroI ,. 50

1 1.A3 Relation entre le pourcentage d'insatisfaits (PPD) et le vote

moyen (PMV)............................................................... 65

tê .1.A4 Sys eme sans repnse . 69

2.A4 Reprise et brassage " 69

3.A4 Reprise et recyclage , . 70

4.A4 Circuit fermé (exceptionnel) . 70

5.A4 Reprise avec recyclage et rebrassage . 70

6.A4 Orientation types de locaux " . 79

7.A4 Orientation du local de l'exemple l.A4 . 79

8.A4 Coefficient de rayonnement solaire S en fonction du coefficient k.. 82

9.A4 Orientation du local à climatiser. . 85

10.A4 Détermination graphique du débit d'air à souffler. . 90

11.A4 Echanges de chaleur au niveau de l'appareil. . 95

12.A4 Evolution de la température de l'air dans un serpentin . 106

LB 1 Dessin de l'appareil dans son ensemble . 118

2.B1 Dessin de l'appareil en traits d'esquisse ,. 119

3.B1 Dessin de détails des serpentins . 120

4.B1 Dessin montrant le filtre et la carcasse arrière de l'appareil . 121

1 5.B1 Dessin montrant les persiennes et leur mode de réglage . 122

6.B1 Dessin de face de l'appareil.. . 123

1.B2 Evolution de la pression au niveau du serpentin . 130

2.B2 Dimensions diffuseur. " . 131

3.B2 Equivalence entre section circulaire et rectangulaire . 131

D·ffu ' . . 1 J , • 1

11

4.B2 1 seur a section circu aire equiva ent. . 132

..

i 11

LISTE DES SYMBOLES ET ABREVIATIONS

Lettres latines

a coefficients d'Angstrôm

a diffusivité thermique en [mvh]l

a coefficient d'absorption

Ai aire d'une surface i [mJ.J

b coefficients d'Angstrërn l

C pertes convectives à partir de la surface externe du vêtement [W]

1 COz dioxyde de carbone

Cp chaleur spécifique à pression constante [kJ/kg.K]

1 D diamètre d'un serpentin [ml

DB débit d'air dans les conditions du point B [kg/hl

d diamètre de l'orifice d'aspiration [ml

~t Ediff pertes latentes par diffusion de vapeur d'eau à travers la peau [W]

, e·1 épaisseur de la paroi i [ml

Er] pertes respiratoires latentes [W]

., Ers pertes respiratoires sensibles [W]

Esw pertes par évaporation de la sueur

1 f pression partielle de la vapeur d'eau [Pa]

F tension maximale de la vapeur d'eau [Pa]

fi fraction d'insolation

Fij facteurs de forme entre les surfaces i et j

g accéleration de la pesanteur (g = 9,81 m/s")

1 Gr nombre de Grasshof

h hauteur du soleil au dessus de l'horizon [0]

• h coefficient de convection entre une surface et un fluide [W/m 2 OC]

H production interne de chaleur dans le corps [W]•

hi enthalpie massique d'un air i [kJ/kg]

• la intensité du rayonnement solaire en dehors de l'atmosphère [W/m 2]

i lU

-1 Idiff. h rayonnement diffus sur un plan horizontal [W/m2]

Id. h rayonnement diffus sur un plan horizontal [W/m2 ]

Ih rayonnement global [W/m2]

Ip indice de pression statique du ventilateur

Is. a rayonnement instantané sur une surface de pente s [W/m2]

'1 l intensité d'une source de chaleur [W/ rrr']

Ji radiosité de la surface i

K coefficient de transmission thermique [W/m 2 OC]

K chaleur transmise par conduction (peau - vêtements) [W] l

L longueur caractéristique [m]

Léq longueur équivalente [m]

l, coefficient de simultanéité éclairage

h facteur de chaleur résiduel des luminaires

ma masse d'air sec [kg]

me masse d'eau en gouttelettes [kg]

my masse de vapeur d'eau [kg]

m débit massique [kg/s]

N vitesse de rotation [tr/min]

1 NF normes françaises

Np niveau de pression sonore créé par le ventilateur [Pa]

Ns nombre de serpentins

Nu nombre de Nusselt 1

Nw niveau de puissance sonore émise par le ventilateur [dB]

l Oe orifice équivalent au circuit pour le ventilateur [m2]

O2 oxygène

p pression statique fournie par le ventilateur [daPa]

., Pa pression atmosphérique [Pa]

Pa puissance absorbée au moyen de la roue [kW]

Pd pression cinétique à la sortie du ventilateur [daPa]

PMV vote moyen prévisible (Predicted Mean Vote) • i

PPD 0/0 prévisible d'insatisfaits (Predicted Percentage of Dissatisfied)

Pr nombre de Prandtl du fluide l

Pt pression totale fournie par le ventilateur [daPa]

Pu puissance effectivement utilisée à la mise en pression de l'air [kW]

p' pression partielle de la vapeur d'eau dans un mélange [Pa]

q flux de chaleur [W]

Qeg chaleur perdue à travers les gaines de distribution [W]-l

Qid chaleur dégagée par les appareils, machines et sources diverses [W]

'1 o, chaleur dégagée par l'éclairage [W]

o, chaleur dégagée par les personnes [W] -1

o, chaleur dégagée à travers les parois [W]

1 o, chaleur dégagée par le renouvellement d'air [W]

[m3/s]Qs débit volumique dans un serpentin ..~

[m3/s]qv débit volumique de l'air

r constante de l'air

r coefficient de réflexion

R pertes radiatives à partir de la surface externe du vêtement [W]

Re nombre de Reynolds

re rayon externe du serpentin [m]

n rayon interne du serpentin [m]

RT résistance thermique [m2 .I<JW] 1 [m2

]

~1

S surface

s pente d'une surface 1

SI section de refoulement du ventilateur [m2]

T température absolue [K]• TU temps universel

:1

TI température de l'air avant compression [K]

T2 température de l'air après compression [K].. U vitesse dans un serpentin [mis]

• v volume spécifique [m'' Ikg]

V volume [m3]

• 1

Vh volume spécifique de l'air [m3/kg]

---,

l Vm vitesse moyenne de l'air [mis]

Vn débit volumique d'air neuf [m) Ih]

VI vitesse moyenne de l'air dans la section Si soit ~ S,

[mis]

1 W masse de vapeur associé à l kg d'air sec [kg]

1

, Lettres grecques

fJ albédo du sol ou coefficient de réflexion global 1

~ coefficient de dilatation cubique [K- l ]

1 L\p perte de charge [Pa]

E: coefficient d'émissivité 1

E rugosité absolue de la surface

Tl rendement [0/0 ]

e température de l'air [OC]

À conductivité thermique [W/m.K]

~ viscosité dynamique [kg Im.s]

li vitesse du fluide [mis]

p masse volumique [kg/rrr']

pv masse volumique de la vapeur [kgl m'']

1 L coefficient de transmission

<p degré hygrométrique [%]

ç coefficient de perte de charge

•

•

CONCEPTION D'UN NOUVEAU SYSTEME DE CLIMATISATION

INTRODUCTION

Les Egyptiens connaissaient déjà le secret du refroidissement par évaporation en

éventant des récipients plats remplis d'eau. On peut supposer qu'ils sont arrivés rl

cette « découverte» en y appliquant le plus vieux et le plus intuitif procédé qui puisse 1

assurément exister au monde: celui de s'éventer quand on a chaud. Ils ont su exploiter

à fond cette méthode de «faire du vent» en utilisant une grande variété c\c.

« modèles» : énormes éventails de plumes, non moins énormes écrans mobiles en

toile et parchemin tendus, suspendus au plafond et actionnés par des esclaves, et

même de véritables «turbines à vent» (sorte de roues à aubes plates, mues

manuellement par l'intermédiaire d'ingénieux mécanismes multiplicateurs de

1 transmission).

A ces procédés de « rafraîchissement-confort» s'ajoutait celui des

innombrables fontaines et jets d'eau, véritables « laveurs d'air» qui, situés à proximité

immédiate des occupants contribuaient à créer une ambiance de bien-être, de fraîcheur '·1

et de... confort !

1 Plus tard, après les roues à palettes, ayant appris à utiliser la force du vent pour

faire tourner les éoliennes (« aéromoteurs »), l'homme s'est rendu compte qu'une

action inverse (s'exerçant manuellement sur une roue dont les pales formaient un

angle avec le moyeu) était susceptible de produire du vent.

Le premier « prototype» du ventilateur hélicoïdal était ainsi né et, avec lui, la

ventilation mécanique contrôlée!

Le corps humain ne peut absorber de la chaleur, bien au contraire: il doit

constamment dissiper sa chaleur propre et ceci aussi rapidement qu'il la produit. Il

s'ensuit que dans les ambiances froides que la perte de cette chaleur sera la plus rapide

tandis que dans un local chaud, le seul moyen de pallier les effets nuisibles d'un .. mauvais échange thermique serait celui d'assurer un mouvement adéquat de l'air

•

PROJET DE FIN D'ETUDE - P. 1.MANE - A. NDI~ YE - G.E.M. E.S.P. THIES 2004 - 2005

CONCEPTION D'UN NOUVEAU SYSTEME DE CLIMAT!SATION

ambiant pour accélérer les échanges cutanés et, partant, aider le corps à se débarrasser

de l'excès de chaleur acquise. 1

La chaleur provoque inévitablement une réduction de l'aptitude au travail, une

1

l fatigue générale et, partant, une baisse sensible du rendement. On sait, par ailleurs

que, l'équilibre thermique du corps dépend essentiellement de trois processus

classiques d'échange: la radiation (rayonnement), la convection et l'évaporation.

°1 C'est bien les deux derniers phénomènes qui sont influencés par le mouvement de l'air

environnant. Mais les différents paramètres qui se trouvent impliqués dans les1

processus d'échange thermiques entre le corps et l'ambiance environnante sont en

l réalité beaucoup plus nombreux, pour ne citer que les plus marquants:

• Température du bulbe sec de l'air ambiant;

• Humidité relative de cet air;

~ • Vitesse (mouvement) de l'air en contact direct avec le corps;1

1

• Pression;

• Température des parois du local considéré (déterminant les effets de

, rayonnement du corps humain).

Et n'oublions pas, que la vitesse de l'air influe non seulement sur l'évaporation, l

mais également sur le coefficient de transmission (ce dernier fonction de celui de

convection de l'air sur la surface extérieure des vêtements de l'occupant).

Dans des pays tropicaux comme le Sénégal, en été, les taux élevés d'humidité 1

relative, les températures écrasantes à l'extérieur et la chaleur des rayons du soleil

peuvent, par leurs actions conjuguées, rendre la maison inconfortable. Un système de

climatisation de l'air peut rétablir le confort des occupants en abaissant la température 11

et le taux d'humidité des pièces de la maison.

•

•

• PROJET DE FIN D'ETUDE - P. 1. MANE - A. NDIAYE - G.E.M. E.S.P. THIES 2004 - 2005

i

2


Un système de conditionnement d'air permet donc de maintenir les conditions

de température et d'humidité d'un local. Dans la plupart des cas, de nombreuses

solutions technologiques peuvent répondre à l'objectif souhaité. A ce titre, plusieurs

types de conceptions sont proposés sur le marché pour assurer une climatisation dite

l artificielle.

1 Le rôle de l'ingénieur est donc d'analyser ces différentes possibilités, et de

comparer leur comportement par rapport à un objectif d'ambiance. L'objectif

l d'ambiance consiste à définir une zone dans laquelle les conditions de température et

d'humidité sont considérées comme acceptables par la majorité des occupants. Cet 1

objectif dépend donc de la finalité du local (locaux d'habitation, bureaux, ateliers...) et

1 est issu d'études à la fois physiologiques et psychologiques, puisque la notion de

confort reste très subjective. Elle dépend en particulier des conditions climatiques

extérieures: dans le secteur résidentiel par exemple, il est bien connu qu'une ambiance

à 18/19°C sera ressentie comme confortable en hiver, mais peut apparaître fraîche et

même froide si la température extérieure est supérieure à 35°C.

, Le bâtiment est un ensemble complexe dont les éléments (enveloppe,

installations techniques, habitants) interagissent entre eux et avec le milieu extérieur.

Il a été montré que dans nos pays tropicaux, il est impossible d'obtenir le confort à

certaines périodes de l'année sans recourir à des systèmes de climatisations

artificielles. Dans un bâtiment moderne, une grande part de la consommation

.. d'énergie est utilisée pour assurer un climat intérieur agréable. Si nous ajoutons à cela

le caractère onéreux des installations de conditionnement d'air, il s'avère donc que le '1

confort dans l' habitat n'est pas à la portée de tous. Ce proj et répond donc à un réel

11 besoin d'autant plus que dans certaines régions du Sénégal, la température atteint des

valeurs excessives de 40°C.

•

• PROJET DE FIN D'ETUDE - P. 1. MANE - A. NDIA'vE - G.E.M. E.S.P. THlES 2004 - 2005 3


La conception et la réalisation d'un système - efficace, pratique et accessible à

toutes les bourses - pour l'amélioration du confort thermique dans l'habitat,

deviennent donc une nécessité surtout pour nos pays dits en voie de développement où 1

le pouvoir d'achat est assez faible. Il est par conséquent important de mener des

recherches dont la finalité est de permettre à la majorité de la population d'accéder au

confort thermique. 1

Cette étude propose donc un appareil qui permet d'obtenir un confort acceptable

l dans les locaux existant, par intermittence ou en continu (en fonction des moyens de

l'utilisateur). Pour fonctionner correctement, l'appareil proposé devra être chargée

1 avec de la glace qui va fondre au bout d'un certain temps.

L'appareil est constitué d'un échangeur de chaleur où on fait circuler l'air

soufflé par un ventilateur dans un serpentin qui plonge dans de la glace fondante. L'air

sort ainsi à une température basse. Par ailleurs, un robinet est prévu (les parois de

l'échangeur étant en acier inoxydable; et c'est cette même vanne qui pourra être '1

utilisée comme bouchon de vidange pour le nettoyage et si on désire se désaltérer;

d'où une utilisation en parallèle comme fontaine. • Les chapitres qui suivent partent du bilan énergétique de l'habitat (en faisant

., d'abord un rappel sur l'amélioration du confort à partir de l'orientation du bâtiment)

en passant par une analyse complète de la climatisation artificielle pour aboutir à la

conception et au dimensionnement d'un nouveau système de climatisation performant

• et non onéreux.

..

•

PROJET DE FIN D'ETUDE - P.1. MANE-A. NDlAYE - G.E.M. E.S.P. THIES 2004 - 2005 4

1

-1 CONCEPTION D'UN NOUVEAU SYSTEME DE CLIMATISATION

ï

1 Première partie

1

A - ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE

,

•

"1

•

•

1

PROJET DE FIN D'ETUDE - P. 1. MANE - A. NDIA YE - G.E.M. E.S.P. THIES 2004 - 2005 1

5

CONCEPTION D'UN NOUVEAU SYSTEME DE CLIMATISAnON

Al - Conditionnement de l'air

Al - l L'air sec

L'air est un mélange de gaz dont la composition volumétrique habituelle est:

Oxygène 20,99 %

Azote 78,03 0/0

Argon 0,94 %

Gaz carbonique 0,03 %

La teneur en gaz carbonique C02 dépend du lieu et des conditions atmosphériques.

Ces gaz, très éloignés de leur point de liquéfaction dans les conditions habituellement

rencontrées en conditionnement d'air peuvent être considérés comme parfaits.

On peut donc appliquer à l'air sec l'équation des gaz parfaits, qui s'écrit pour 1 kg , .

d air:

Pv=rT (l.A 1)

P pression en Pa;

v volume spécifique en mètres cubes par kilogramme;

T température absolue en degrés Kelvin;

r constante de l'air.

Nous n'entrerons pas dans toutes les étapes de la démonstration, cela n'étant pas le

but du projet, nous dirons simplement que l'équation d'état de l'air sec peut aussi s'écrire:

Pv = 29,2 T (2.A 1)

La chaleur spécifique à pression constante Cp de 1 kg poids d'air est donnée par la

formule:

C p

= 0,24 + 0,00006 e (3.A 1)

En conditionnement d'air où () varie en général de - 10° à + 40 "C l'on peut

considérer Cp comme constante et adopter la valeur de 0,24 kcal/kg. "C.

PROJET DE FIN D'ETUDE - P. 1. MANE - A. NDIAYE - G.E.M. E.S.P. THIES 2004 - 2005 6


l

,1 On notera que la formule donnant l'échauffement adiabatique de l'air sec que l'on

porte de pression statique PI à la pression P2 dans un compresseur de rendement 100%

1 est:

1 (4,Al), ,

., TI et T2 sont les températures absolues de l'air avant et après compression.

1 La masse volumique de l'air sec, mesurée à une température de zéro degré

1 centigrade et sous une pression de 760 mm de mercure est 1293 gr/rrr'.

Pour toute autre température ou pression il est donné par la formule classique: "

p = 1293 P

760

273 ---= 273 + t

0,465 P

T (S.AI)

p masse volumique en grammes par mètre cube;

t température en degrés Celsius;

P pression en millimètres de mercure;

T température absolue en Kelvin.

1

1

1

•

• 7

PROJET DE FIN D'ETUDE - P. 1. MANE - A. NDIA YE - G.E.M. E.S.P. TH lES 2004 - 2005 1


Al - 2 L'air humide

L'air atmosphérique n'est jamais exempt de vapeur d'eau: étant donné que la

pression partielle de celle-ci est très faible dans les cas que nous aurons à considérer, l'on

peut admettre également qu'elle se comporte comme un gaz parfait, en particulier que la

1 formule (l.A 1) lui est applicable: le poids moléculaire de l'eau étant égal à 18, la

constante de l'eau est 47 :

Pour définir la proportion de vapeur d'eau contenue dans un certain volume d'air, l l'on se sert le plus souvent en conditionnement de la notion de degré hygrométrique égal

au rapport de la pression partielle de la vapeur d'eau dans le mélange (pression qu'aurait la

vapeur d'eau si elle occupait seule tout le volume du mélange) à la pression de vapeur

d'eau dans l'air saturé pour la température du mélange, qui diffère très peu de celle de la

vapeur saturée pure.

Ce rapport reçoit également le nom d'humidité relative et on l'exprime en

général en pourcentage.

1 rp = Lx 100 (6.Al)F

f= pression partielle de la vapeur d'eau dans le volume V du mélange de 1

température e"C

F = tension maximale de la vapeur d'eau à la même température SoC, exprimée

dans la même unité que f

• L'humidité absolue, W grammes par kilogrammes est la masse de vapeur d'eau

exprimée en grammes associée à 1 kg d'air sec (elle est désignée sous le nom de rapport

de mélange par l'Organisation Météorologique Mondiale qui utilise parfois l'expression 1

« humidité absolue» pour désigner la masse volumique Pv de la vapeur d'eau dans un

mélange et lui donne également le nom de « concentration de la vapeur» terme préférable •

pour ne pas créer de confusion).

• 8

PROJET DE FIN D'ETUDE - P. 1. MANE - A. NDIAYE - G.E.M. E.S.P. THIES 2004 - 2005 • ;

..,__--


Le degré de saturation d'un mélange d'air et de vapeur d'eau est le rapport de

l' humidité spécifique de ce mélange à celle d'un mélange saturé dans les mêmes

l conditions de température et de pression.

Degré de saturation et degré hygrométrique différent assez peu pour les 1

températures et pressions habituellement utilisées en conditionnement.

1 Il est essentiel de noter immédiatement que lorsqu'on réchauffe une certaine

quantité d'air humide son humidité relative ou degré hygrométrique diminue alors que son ]

humidité absolue W ne varie pas: inversement quand on refroidit l'air, son humidité

.,. relative augmente mais ne peut dépasser 100% : son humidité absolue W reste constante .,

jusqu'à ce que l'on ait atteint la température dite point de rosée au-dessous de laquelle W

" diminue, la vapeur se condensant.

Les formules de l'air humide découlant des relations précédentes sont les

suivantes.

1 - Volume Vh m

3 occupé par le mélange d'air humide contenant W kg de vapeur d'eau

associés à 1 kg d'air sec sous une pression de p et à une température de T OK 1

T =-(29,2 + 47,OW) (7.AI)'1

Vh ( 7.A) p

- Pression partielle p' de la vapeur d'eau dans le mélange

p'=p 47W1 (8.AI)

29,2 + 47W

• - Degré hygrométrique ou humidité relative cp %, la tension de la vapeur d'eau à la

température T OK étant donnée comme égale à F mm d'eau

• 17 = 100 P' = 100 ~ 47 W (9.AI)

F F 29,2 + 47W•

• 9

PROJET DE FIN D'ETUDE - P. 1. MANE - A. NDiA YE - G.E.M. E.S.P. THIES 2004 - 2005 ,•


Quantité de vapeur d'eau W kg associée à 1 kg d'air sec dans un mélange

d'humidité relative <p %.

w = 0,622 (10.A1)

100 x P -1 rpFl

la courbe d'air saturé correspond à <p = 100 %.

Par air humide nous entendons un système à une seule phase, la phase gazeuse.

l Mais l'on rencontre couramment des mélanges d'air et d'eau se présentant sous deux

phases: le brouillard, mélange d'air sec, de vapeur d'eau, et d'eau sous forme de très fines 1

gouttelettes. Ces gouttelettes ont des dimensions assez importantes pour pouvoir être

1 séparées à l'œil nu, avec un éclairage propice: elles on une vitesse de chute sensible. Les

brouillards sont arrêtés par les procédés classiques de filtration.

Le mélange d'air et d'eau peut également se présenter sous forme d'aérosols dans

'1 lesquels l'eau est divisée en gouttelettes si fines qu'elles ne sont pas visibles à l'œil nu,

quel que soit l'éclairage, leur vitesse de chute est pratiquement nulle, elles sont soumises l

au mouvement Brownien : elles sont en général porteuses de charges électrostatiques. Les

aérosols d'eau ne mouillent pas les surfaces et sont extrêmement difficiles à filtrer [1].

Brouillards et aérosols hydriques constituent l'air saturé : le degré hygrométrique 1

d'un tel mélange n'a plus de sens, alors que l'on ne peut encore parier d'humidité

spécifique, égale à celle de l'air saturé (dans les mêmes conditions de températures et de 1

pression) augmentée de la quantité d'eau se trouvant en sursaturation. Le degré de

~ saturation serait supérieur à 100 0/0.

Le degré hygrométrique de l'air humide portant des vésicules d'eau liquide est en

général inférieur à 100 0/0, l'eau liquide n'intervenant pas dans le calcul de la pression

partielle de la vapeur dans le mélange. •

10 PROJET DE FIN D'ETUDE - P. 1. MANE - A. NDIAYE - G.E.M. E.S.·P. THIES 2004 - 2005

•

•

CONCEPTION D'UN NOUVEAU SYSTEME DE CLIMATlSATION

Al - 2.1 La quantité de chaleur de l'air humide -t

1

Etant donné un mélange de ma kilogrammes d'air sec, my kilogrammes de

l vapeur d'eau, me kilogrammes d'eau en gouttelettes à une température t degré Celsius et

sous pression de p Pascals, la chaleur totale qu'il contient se décompose de la manière l

suivante:

"1 1° la chaleur sensible des ma grammes d'air sec égale à ma X 0,24 X t, la chaleur

massique de l'air sec à pression constante étant égale à 0,24 kcal/kg. "C. l

2° la chaleur totale des my grammes de vapeur comprend la chaleur sensible de

l cette vapeur plus la chaleur latente, et est égale à (595+0,47t) X my .

3° la chaleur sensible des me grammes d'eau, à l'état liquide, égale à IDe x t. 1

La chaleur totale du mélange sera donc:

m;x 0,24 X t + (595+O,47t) X my+ me X t (ll.Al)

Cette valeur rapportée au kg d'air sec est parfois appelée enthalpie ou partie

thermodynamique de l'énergie d'un système. Elle est alors exprimée en kilocalorie.

Al - 2.2 Température sèche et température humide de l'air

Dans ce qui précède la température t en "C ou T en "K de l'air humide est celle que

~ marque effectivement un thermomètre, à colonne de mercure par exemple, soustrait à tout

influence de rayonnement et entièrement baigné par l'air (un déplacement relatif du

thermomètre par rapport à l'air augmente l'influence de la convection et tend à diminuer

l'influence relative du rayonnement s'il existe) : ce thermomètre indique la température

sèche de l'air humide.

•

• 11

PROJET DE FIN D'ETUDE - P. 1. MANE - A. NDIA YE - G.E.M. E.S.P. THIES 2004 - 2005

•


Si maintenant nous faisons cheminer cet air dans une gaine horizontale

parfaitement calorifugée et dont la face intérieure est recouverte d'une mince pellicule

d'eau nous constatons qu'en déplaçant le thermomètre précèdent dans le sens de

l'écoulement de l'air la température qu'indique le thermomètre se met à baisser pour se

"1 stabiliser après une certaine longueur de gaine: dans cette dernière zone l'air s'est saturé

de vapeur d'eau évaporée par la pellicule d'eau léchée par l'air qui a utilisé à cette effet "

des calories sensibles de l'air pour les transformer en chaleur latente: l'eau elle-même a

cédé, un peu de chaleur correspondant au refroidissement de l'eau incorporée qui al

légèrement baissé de température. Cette température indiquée par le thermomètre est

l appelée température humide de l'air humide: on l'appelle parfois «bulbe humide de

l'air» car c'est celle qu'indique un thermomètre à mercure dont le bulbe a été revêtu d'un 1

manchon de gaze maintenu humide.

Le fait très important est que cet échange ayant lieu à chaleur constante, donc pour

l'air à la différence près, très faible, de chaleur dû au refroidissement de l'eau incorporé, la '1

température humide est caractéristique de la chaleur totale de l'air et ne varie que très peu

1 avec sa température sèche. Donc tous les mélanges d'air et de vapeur d'eau ayant même

chaleur totale ont sensiblement même température humide, celle de l'air saturé ayant cette

:1 même chaleur totale. Pour une température sèche ts donnée, et une température humide th

mesurée, la différence tÇth permet de calculer l'humidité relative et l'humidité absolue de

l'air.

Pour déterminer les caractéristiques de l'air humide nous utiliserons des

diagrammes appelés diagrammes psychrométriques.

Al - 2.3 Les diagrammes psychrométriques !II

Appelés également courbes de l'air humide ils permettent de représenter clairement

et de calculer les évolutions de l'état de l'air lors de son conditionnement.

• 12

PROJET DE FIN D'ETUDE - P. 1. MANE - A. NDIAYE - G.E.M. E.S.P. THIES 2004 - 2005

• 1


Dans ces diagrammes les différentes caractéristiques d'un air humide sont

rapportés à la quantité de cet air humide qui contient 1 kg d'air sec: c'est cette manière de

calculer qui, adoptée dès 1911 par CARRIER, s'est généralisée car elle seule permet de se l

ramener à une quantité indépendante du chauffage et du refroidissement simple: en effet,

l le volume de l'air sec ou humide varie avec la température, alors que la masse sec est

invariable. 1

Le diagramme psychrométrique donne une représentation graphique des propriétés l

de l'air humide; c'est un moyen d'illustrer la nature des processus en jeu. Il faut

comprendre ces procédés afin de connaître les possibilités générales et les limites des 1

différents systèmes, et de se rendre compte des implications des conditions ambiantes qui

, sont spécifiées. Le choix arbitraire d'une température et d'une humidité données, sans tenir

compte de la gamme de conditions possibles qui satisferaient convenablement aux

exigences liées à l'utilisation d'un local, peut conduire à des systèmes d'une complexité et

d'un coût exagérés. 1

M. le Professeur VERON a fait une analyse très poussée des différentes sortes de , diagrammes qui existent [1].

l Quelque soit le types de diagramme, un diagramme psychométrique doit permettre

de résoudre rapidement des problèmes liés aux caractéristiques de l'air.

Il y'a lieu de remarquer que le refroidissement très progressif de l'air n'est que

rarement réalisé: il suppose en particulier, dans le cas d'un réfrigérant à surface par

exemple que l'air ne rencontre que des tubes ou ailettes dont la température de surface soit

assez voisine de la sienne pour qu'il ne produise pas immédiatement une légère

condensation qui éliminerait une partie de la vapeur d'eau: cette restriction conduirait à

n'admettre que des différences de température très faibles entre air et réfrigérant donc des

surfaces d'échange importantes. Mais notons qu'en pratique le refroidissement se fait dès

le début avec une baisse d'humidité absolue. •

13 PROJET DE FIN D'ETUDE - P. 1. MANE - A. NDlAYE - G.E.M. E.S.P. THIES 2004 - 2005

•

.


Les diagrammes psychrométriques permettent de résoudre des multitudes de cas de

conditionnement d'air parmi nous citerons:

Connaissant deux données relatives à un mélange d'air et de vapeur d'eau, en

déterminer quatre autres.

Déterminer le point de rosée d'un air donnée.

Déterminer le degré hygrométrique d'un air dont on connaît les températures boule

sèche et boule humide, etc.

l

,

1

l

• 1

1

1

1

14

• PROJET DE FIN D'ETUDE - P. 1. MANE A. NDIAYE -

1 G.E.M. E.S.P. TH1ES 2004 - 2005

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Figure l,Al: Diagramme psychométrique

PROJET DE FIN D'ETUDE - P.!. MANE - A. NDIAYE - G.E.M. E.S.P. THIES 2004·2005 15


Al - 2.4 Refroidissement, humidification et déshumidification de l'air

Le refroidissement et l'humidification peuvent être accomplis par pulvérisation d'eau

l dans l'air. On appelle ce procédé "adiabatique", car il n'y a ni apport ni retrait de chaleur.

Ce phénomène est également connu sous le nom de refroidissement par évaporation.

Lorsque l'air non saturé vient en contact avec l'eau pulvérisée recyclée, il y a évaporation

d'eau, si le procédé est adéquat, l'air sera saturé. S'il n'y a pas apport de chaleur au cours de '1

cette étape, la chaleur nécessaire à l'évaporation de l'eau ne peut être fournie que par l'air,

1 ce qui résulte en une baisse de température de l'air, et en une augmentation du degré

hygrométrique. L'enthalpie totale de l'air humide reste la même. "

Le refroidissement et la déshumidification sont également des exigences usuelles du '1

conditionnement de l'air. Lorsque l'air traverse un échangeur de chaleur ou un serpentin

dont la température est inférieure à la température du point de rosée de l'air, l'humidité se

condense et la température sèche de l'air baisse. La perte de chaleur provient de l'enthalpie

"1 de l'air et de la chaleur latente liée à la condensation de la vapeur d'eau.

L'état de l'air qui est passé au travers d'un serpentin refroidisseur dépend de

l'arrangement du serpentin. Si on arrose le serpentin ou si un jet d'eau de refroidissement '1

est utilisé, l'air de sortie sera, saturé à la température de l'eau pulvérisée, à condition que le

jet soit adéquat. '"1

Il importe de connaître les phases du traitement de l'air pour bien comprendre les

possibilités d'un système de conditionnement. Il faut tenir compte des problèmes

.. particuliers et du coût des différentes solutions, non seulement en faisant le choix d'un

système de climatisation et en élaborant les exigences de conditionnement, mais aussi en

préparant les plans de l'enceinte.

•

• 16

PROJET DE FIN D'ETUDE - P. 1. MANE- A. NDIAYE - G.E.M. E.S.P. THIES 2004 - 2005 ,•

•

CONCEPTION D'UN NOUVEAU SYSTEM~E~DE~C~LI~M~A~T~IS:!.!:.A~T~IO~N~ _

A2 - Bilan énergétique du bâtiment

l

L'évaluation des charges thermiques des bâtiments à climatiser est un exercice

complexe qui prend habituellement beaucoup de temps et représente l'une des étapes

les plus importantes dans la conception et le dimensionnement d'un système de

climatisation.

1

l

Le bilan énergétique du bâtiment est basé sur le fait que pratiquement toute

l'énergie entrant dans un bâtiment finit par être transformé en chaleur. Le bâtiment

reçoit de l'énergie sous différentes formes:

- L'électricité;

1

- Le rayonnement solaire et le rayonnement thermique de l'extérieur;

- La chaleur de l'air externe et la chaleur métabolique des habitants;

- Etc.

La connaissance des flux d'énergie au travers d'un bâtiment est nécessaire au

moment de la planification des travaux pour deux raisons:

Dimensionner correctement les installations énergétiques. Dans ce but on

calcule la puissance de pointe minimale nécessaire.

- Prévoir la consommation annuelle et la minimiser en choisissant la variante la

plus économique globalement, mais en tenant compte du confort et des contraintes

architecturales.

Le bilan énergétique est une comptabilité des entrées et des sorties d'énergie

du bâtiment pendant une période de temps donnée. Ce bilan doit évidemment être

équilibré, par conservation de l'énergie. Le bilan énergétique détaille donc toutes les

pertes et tous les gains, les sommes des pertes et des gains étant égales si la période

de consommation est suffisamment grande (par exemple une année, voire un mois

s'il n'existe pas de capacité de stockage particulièrement grande).

Avant de calculer le bilan, il convient de délimiter le système étudié dans

l'espace et dans le temps, et de définir les utilisations de l'énergie et les vecteurs

PROJET DE FIN D'ETUDE - P.1. MANE A. NDIAYE - G.E.M. E.S.P. THIES 2004 - 2005 17


énergétiques que l'on va considérer. Sans cette précaution, on ne peut définir ni les 1 1

flux d'énergie (qui doivent traverser une frontière spatiale), ni l'énergie consommée,

ni les limites énergétiques du système (cuisson, éclairage, ou encore de la totalité des 1 besoins énergétiques en incluant les matières consommés et produites ainsi que leur

l transport).

La délimitation spatiale consiste à définir les frontières du domaine étudié, au

travers desquels passent les flux d'énergie à calculer.

l La délimitation temporelle, elle, consiste à définir la ou les périodes de temps

pendant lesquelles on désire connaître le bilan. Pour les bâtiments on peut prendre 1

seulement une année entière.

l A2 - 1 Interactions entre climat et bâtiment

La pression et la température de l'atmosphère varient très rapidement avec

l'altitude. En conséquence, la vitesse du son et le libre parcours moyen des molécules

l entre deux chocs varient aussi.

1 L'énergie totale d'une masse d'air m à l'altitude h est composée de son énergie

potentielle mgh et de son énergie thermique qui dépend de sa température T. Si cette

1 masse d'air s'élève dans l'atmosphère, elle voit son énergie potentielle croître, donc

son énergie thermique décroître.

Si ce mécanisme s'effectue sans échange de chaleur (de manière adiabatique),

, la variation de température serait de 10 K par 1000 m. En fait, de 0 à 10 km, cette

variation est de 6 K par 1000 m. Ceci est du aux échanges de chaleur par

évaporation-condensation de la vapeur d'eau contenue dans l'air.

Des perturbations naturelles (flux solaire) ou artificielles (usines, chaleur des

villes) provoquent l'élévation ou la chute de masse d'air. L'air étant un mauvais •

conducteur de la chaleur et ces échanges étant relativement rapides, ils se font de

manière adiabatique, et la variation de température est de 10 K par km. •

• 18

PROJET DE FIN D'ETUDE - P. 1. MANE - A. NDJAYE - G.E.M. E.S.P. THIES 2004 - 2005 •


En s'élevant ces masses d'air peuvent rencontrer de l'air plus chaud, donc

moins dense, et le mouvement est stoppé. Ceci a lieu si le gradient de température est

inférieure à 10 K / km et l'atmosphère stable. En particulier, il peut arriver que la

température augmente localement avec l'altitude, amenant ce que l'on appelle une

inversion de température. L'atmosphère est alors très stable et cette situation peut être

désagréable dans les zones à fortes productions de polluants (parce que le, renouvellement d'air ne peut pas se faire). L'atmosphère est instable dans le cas

l contraire. Si le gradient est supérieur à 10 K / km, les mouvements sont verticaux

accélérés.

l La croûte terrestre présente aussi un gradient de température, celle Cl

augmentant si l'on s'enfonce dans le sol. Ce gradient est généralement compris entre

16,5 et 33 K / km, mais il peut atteindre 500 K / km dans les zones géothermiques.

Ce gradient entraîne un flux d'énergie thermique radial qui est de l'ordre de 40 mW /

"

2 m , mais qui peut atteindre 1 W / m2 dans les zones géothermiques.

De façon générale, en raison des zones tropicales, il s'établit un gradient de

1 pression qui provoque une circulation générale de l'air. L'air équatorial chaud s'élève

et se dirige en altitude vers les pôles, se refroidit et descend vers le sol où il retourne

des pôles vers l'équateur.

Si on se restreint au domaine de l'énergétique du bâtiment, il apparaît que les

paramètres météorologiques importants sont les suivants:

• la température extérieure qui a une influence prépondérante sur la quantité

d'énergie nécessaire, pour maintenir, par refroidissement, une température

intérieure différente de celle de l'extérieure;

• le rayonnement solaire qui chauffe le toit, les façades et le bâtiment en

entrant par les vitrages;

• le vent qui modifie le taux de ventilation;

• l'humidité de l'air qui avec la température, donne l'enthalpie de l'air

extérieur. Dans les bâtiments entièrement climatisés, la température et •

PROJET DE FIN D'ETUDE - P. I. MANE - A. NDIAYE - G.E.M. E.S.P. THIES 2004 - 2005 19


l

l'humidité sont contrôlés et de l'énergie est nécessaire pour modifier ces

1 paramètres.

Les données météorologiques utilisées peuvent être transcrites en plusieurs

formes que sont:

1 - Valeurs instantanées

" Dans plusieurs pays, les données météorologiques sont enregistrées

automatiquement et en permanence. Mais sous cette forme, les données ne sont

l utilisables que pour des buts de recherche. Elles permettent la simulation fine de

bâtiments ou de systèmes divers en interaction avec le climat, mais ces simulations

nécessitent beaucoup de temps de calcul sur des ordinateurs puissants.

1 - Valeurs moyennes ou intégrées

Al' autre extrême, pour estimer grossièrement la consommation d'énergie 1

mensuelle ou annuelle, les modèles les plus simples utilisent des données

météorologiques moyennes ou intégrées.

On peut par exemple estimer que les pertes thermiques du bâtiment seront 1

proportionnelles à la différence entre les températures intérieures et extérieures

moyennes et que les gains solaires seront proportionnels au rayonnement solaire

global moyen pendant la période considérée. 1

- Valeurs extrêmes

1 Par contre, pour dimensionner des installations de refroidissement, on peut adopter

des valeurs extrêmes ou mieux, des probabilités de fréquences d'apparition de

valeurs extrêmes.

En effet, une valeur extrême, par exemple la plus haute température observée, • peut n'apparaître qu'une fois tous les 10 ans ou 50 ans, pendant une durée très faible,

• par exemple de quelques heures. Si l'installation est dimensionnée sur cette base, elle

sera surdimensionnée pendant tout le reste du temps. •

• 20

PROJET DE FIN D'ETUDE - P, 1. MANE A, NDIAYE - GEM, E,S,P. TH lES 2004- 200S

•

CONCEPTION D'UN NOUVEAU SYSTEME DECLJMATISATION

l

Si on connaît la probabilité d'occurrence d'une valeur donnée, on peut

dimensionner l'installation de façon qu'elle ne soit sous dimensionnée que pendant

une part très courte du temps (par exemple 1 jour par an).

Il est à noter que le comportement du bâtiment dépend des conditions

météorologiques du moment mais aussi des conditions précédentes.

D'autre part, le comportement du bâtiment ne sera pas le même, si pour une

même valeur moyenne, la variable météorologique est pratiquement constante ou

présente de fortes fluctuations. Des méthodes probabilistes (permettant de diminuer

l les exigences des calculs longs et onéreux) sont très utilisées dans la recherche de

l 'histoire climatique d'un bâtiment. :1

Une variable climatique peut donc être décrite par la somme de trois variables:

l - Une fonction déterministe du temps, qui suit en général la valeur moyenne

mensuelle au cours de l'année. 1

- Une composante aléatoire, qui expnme les fluctuations de la variable

météorologique autour de sa valeur moyenne. 1

- Une composante stochastique markovienne, qui exprime la dépendance de la

variable envers sa valeur un certain temps plus tôt.

, A2 - 2 Utilisation des données météorologiques

A2 - 2.1 Température extérieure , En première approximation, la puissance des pertes thermiques d'un bâtiment à

un instant donné est proportionnelle à la différence de température entre l'extérieur et

l'intérieur. En général, la température intérieure est plus ou moins bien régulée, et est

'1 relativement bien connue. La température extérieure varie dans le temps.

Pour la prévision des consommations d'énergie, il faut faire une intégrale dans

le temps des gains thermiques du bâtiment



A2 - 2.2 Ensoleillement

Des données sur l'ensoleillement sont nécessaires pour le calcul des gams

solaires passifs intervenant dans le bilan thermique des bâtiments, pour le

dimensionnement des installations de climatisation.

La quantité réellement intéressante pour les calculs est l'intensité 1 du

rayonnement solaire, qui est le flux de rayonnement traversant une surface unité

d'une orientation donnée. Du fait que l'on doit parfois distinguer le rayonnement

l direct du rayonnement diffus (les deux ensembles formant le rayonnement global), et

que les surfaces intéressantes peuvent avoir des orientations diverses (horizontal, 1

vertical sud, est, ouest, incliné, etc.), il faudrait un grand nombre de données pour

satisfaire tout le monde. Ces données ne sont pas toujours disponibles pour chaque1

localité. C'est pourquoi des formules de passage d'un ensemble de données à l'autre

1 peuvent être utiles. Ces formules sont obtenues de façon empirique et leur validité est

de ce fait limitée. 1

On peut estimer le rayonnement global horizontal moyen h à partir de la ,

fraction d'insolation fipar la relation d'Angstrom [2] :

l 1 h = 1 0 (a + bf i ) (I.A2)

, Où 10 est l'intensité du rayonnement solaire en dehors de l'atmosphère, soit

1367 W/m2 à 5 % près. Les coefficients d'Angstrom a et b dépendent de la région

climatique.

'1

Page a développé une loi de régression semblable pour le rayonnement diffus

sur un plan horizontal : • (2.A2)

•

On peut en déduire le rayonnement direct sur un plan horizontal : •

(3.A2)

PROJET DE FIN D'ETUDE - P. I. MANE - A. NDIAYE - G.E.M. E.S.P. TH lES 2004 - 2005 22

CONCEPTION D'UN NOUVEAU SYSTEME DE CUMATISATlON

Le rayonnement global instantané sur une surface de pente S et d'azimut /sud

a peut être décomposé en trois termes :

l 1 1 d. h cos a / sinh Rayonnement direct J • a

l + 1 diff , h (1 + cos s) / 2 Rayonnement diffus (4.A2)

+ /3 1 h (1 - cos s) / 2 Ravonnement réfléchi

l Où e est l'angle d'incidence du rayonnement direct, ou l'angle entre ce

rayonnement et la normale de la surface, h la hauteur du soleil au dessus de l'horizon 1

et pl'albédo du sol, à savoir le coefficient de réflexion global du sol pour le spectre

-, solaire.

Il est aussi intéressant d'obtenir une intensité moyenne mensuelle. 1

L'intégration ci-dessus ne peut se faire exactement qu'avec un ordinateur, en

'1 disposant des données météorologiques instantanées sur une bande magnétique.

Il est cependant possible d'obtenir une bonne approximation de l'intensité global 1

moyenne I s.a à partir des intensités moyennes sur un plan horizontal.

-. Bremer (1983) [2] propose la formule approximative suivante, qui est soit plus

simple, soit plus exacte que celles de Liu & Jordan (1962), Klein (1977), Collares, Pereira (1979) [2] :

1 f sinh cos adt 1 s , a 1 d , h Rayonnement direct

2 hdt, f sin

+ 1 diff ,h (1 + cos s ) / 2 Rayonnement réfléchi • + f3J h ( l - cos s ) / 2

•

Où les deux intégrales peuvent être résolues de façon analytique au moyen des

• expressions de eet de h.

23 PROJET DE FIN D'ETUDE - P. I. MANE - A. NDIA YE - G.E.M. E.S.P. THIES 2004 - 2005


Il faudra préciser que pour les travaux de précision, particulièrement pour la

recherche, il est préférable de se baser sur des mesures sur place des paramètres

nécessaires plutôt que d'utiliser plusieurs formules approximatives en chaîne.

A2 - 2.3 Vitesse et direction du ventl Ces deux paramètres sont extrêmement variables et seules les vitesses

"

moyennes du vent sont publiées. Or, suivant l'utilisation de cette donnée

météorologique, ce sont des fonctions de cette vitesse qui sont intéressantes, et la l

vitesse moyenne ne peut donner qu'une indication grossière. Par quelque exemple,

les débits d'air d'infiltration dans les bâtiments sont fonction notamment de la vitesse l

du vent à la puissance 0,6 environ et de la direction du vent par rapport au bâtiment. "

A2 - 3 Transfert de chaleur

1 Les phénomènes de transport impliqués sont la conduction thermique au

travers des matériaux immobiles, la convection, transport de chaleur lié au transport 1

de matière, le rayonnement qui transporte de l'énergie par ondes électromagnétiques

au travers des matériaux transparents ou dans le vide, et l'évaporation-condensation " où la chaleur utilisée pour évaporer un liquide (souvent de l'eau) est transportée là où

la vapeur se condense.

Le transfert de chaleur implique un flux de chaleur (en Watts) qui exprime la 1

quantité d'énergie passant chaque seconde au travers d'une surface quelconque, ou,

• localement une densité de flux de chaleur (en W/m2) qui exprime la quantité

d'énergie transmise chaque seconde au travers d'une surface unité. •

A2 - 3.1 Transfert de chaleur par conduction

• La température d'un corps est l'image physique de l'agitation désordonné et

aléatoire des atomes et des molécules composant de corps. Si une partie de ce corps • est plus chaude que l'autre, l'énergie de vibration des molécules les plus chaudes,

• donc les plus agitées, se transmet de proche en proche aux molécules plus froides, qui

s'échauffent à leur tour. •

PROJET DE FIN D'ETUDE - P. 1. MANE - A. NDlAYE - G.E.M. E.S.P. THIES 2004 - 2005 24


La conduction thermique peut donc avoir lieu dans toute matière (gaz, liquide,

solide) dans laquelle existe un gradient de température.

l La loi de Fourier exprime que la densité de flux de chaleur q est

1 proportionnelle au gradient de température, et la chaleur s'écoule de la source chaude

à la source froide, en tendant à diminuer l'amplitude du gradient.

'1 q = -AgradT (6.A2)

l Le coefficient de proportionnalité À s'appelle la conductivité thermique du

l matériau. C'est un scalaire si le matériau est isotrope, ses propriétés étant

indépendantes de la direction. C'est un tenseur si le matériau est anisotrope. La

'1 conductibilité thermique dépend généralement de la température. Cette dépendance

est toutefois suffisamment faible pour que l'on puisse, dans certains cas pratiques

(bâtiment), assimiler ce paramètre à une constante ne dépendant que du matériau lui

même.

, Enfin, dans les matériaux de construction légers, où la plus grande partie du

volume est constituée par de l'air, la conduction est couplé avec le rayonnement, et

1

on ne devrait pas parler de conductibilité thermique pour ces matériaux. Cependant,

pour des raisons pratiques, on définit et on mesure une conductibilité apparente qui

1 comprend plusieurs phénomènes de transport: la conduction thermique dans la

matière solide et dans l'air et le rayonnement dans l'air et travers de la matière si

1 celle-ci est suffisamment finement divisée pour être transparent au rayonnement

thermique.

Découpons par la pensée un volume V, entouré d'une surface S dans un

Il matériau homogène. Par un élément de surface ds (le vecteur étant normal à la

• surface, dirigé vers l'extérieur du volume) il passe un flux q.ds, positif s'il sort de V,

et négatif dans le cas contraire.

• Si dans le volume V, il existe une source de chaleur d'intensité J (en W/m3 ) , la

• quantité de chaleur créée dans le volume V pendant l'intervalle de temps ôt sera:

1

PROJET DE FIN D'ETUDE - P. I. MANE A. NOtA YE - G.E.M. E.S.P. THtES 2004 - 2005 25

CONCEPTION D'UN NOUVEAU SYSTEME DE CLIMATISATION _

l

(7.A2)Q == ffS 1suv Î L'énergie ainsi créée, plus le flux net entrant dans le volume (flux entrant

moins le flux sortant), augmentera la quantité de chaleur contenue dans le volume V:

l (S.A2)

l Où p représente la masse volumique et c la chaleur spécifique du matériau.

'1 En divisant cette équation par bt, et en utilisant le théorème de la divergence:

ffs qds = IIIv divqdV (9.A2)

On obtient:

(lO.A2)fIL (pc ~ + divq - I)dV = 0 ..

Ce résultat est valable quel que soit le volume V. L'intégrant doit être lui-même nul:

8T dipc + tvq - 1 = 0 (l1.A2)8t

En remplaçant dans l'équation de conservation l'expression de la densité de

flux q donnée par l'équation de Fourier, on obtient:

• pc 8T - div :tgradT 1 (l2.A2)

8t

Cette équation permet de déterminer la température en tout point si l'on

connaît la valeur de 1, de p, de c et de À en tout point ainsi que les conditions initiales

• et aux limites.

•

• 26

PROJET DE FIN D'ETUDE - P.!. MANE- A. NDIAYE - G.E.M. E.S.P. THIES 2004 - 2005 •

l CONCEPTION D'UN NOUVEAU SYSTEME DE CLIMATISATION

'1 Dans la mesure où la conductibilité ne dépend pas de la position, (donc elle

est indépendante de la température).on obtient:

~I

l

t5T pc-- Â~T

t5t 1 (13.A2)

"1 En divisant cette équation par pc, et en définissant la diffusivité thermique par

a = Ypc, on obtient finalement:

t5T 1 (14.A2)a L\ T + t5t pc

Cette équation peut être résolue par différentes méthodes pour trouver en

toutes circonstances la répartition de température dans un volume de matériaux

soumis à diverses conditions initiales et aux limites. L'équation de Fourier permet

ensuite de déterminer les densités de flux. Dans certaines configurations

géométriques et suivant les conditions initiales, on peut obtenir des solutions

analytiques.

En régime permanent, les températures et les flux sont constants en tout point.

L'équation de la chaleur se transforme alors en une équation de Poisson:

aL\T = - 1 / pc ou L\ T = - 1 / À (15.A2)

• Où 1 dépend de la position seulement, et où il y a autant de sources de chaleur

que de puits de chaleur, de façon que le bilan total sur tout l'espace soit nul. •

A2 - 3.2 Transfert de chaleur par rayonnement

A toute température, chaque corps matériel émet de l'énergie sous forme de

• rayonnement électromagnétique dû aux mouvements des charges électriques des

atomes suite à l'agitation thermique. L'intensité du rayonnement dépend de la

température et d'une propriété de la surface du corps appelée « émissivité ».



Corps noirs

Pour un corps noir, dont l' émissivité est égale à l'unité par définition,

l'intensité q de ce rayonnement est répartie entre différentes longueurs d'onde en 1

suivant la loi de Planck.

l Tous les corps ne sont pas noirs. En général, les matériaux réfléchissent une

partie du rayonnement incident, en transmettant une partie, et en absorbent le reste. 1

Le rapport entre l'intensité du rayonnement réfléchi et celle du rayonnement incident

l est le coefficient de réflexion r. on définit de même le coefficient d'absorption a et le

coefficient de transmission r. L'intensité incidente étant soit réfléchie, soit 1

transmise, soit absorbée, a + r + t = 1, pour chaque longueur d'onde et à toute

1 température.

En général, a, r et t varient avec la longueur d'onde et avec la température, ce 1

qui donne l'aspect coloré des objets. Cependant, leur somme est toujours unitaire.

1 Pour les corps non noirs, on définit le coefficient d'émissivité f: (,1, T) par le

rapport de la densité spectrale du rayonnement émis par le corps à celle du corps noir 1

à la même température:

l (l6.A2)

, Les matériaux opaques ont une transmission nulle, par définition. Pour ces

matériaux, a + r = 1. Nous allons voir maintenant pourquoi on appelle « corps noir»• les matériaux parfaitement émissifs.

Echange d'énergie entre deux surfaces:

• Si deux surfaces noires sont à des températures différentes et qu'elles se

voient, le flux net transmis de l'une à l'autre sera donné par : •

(l7.A2)•

28 PROJET DE FIN D'ETUDE - P. l. MANE - A. NDiA YE - G.E.M. E.S.P. THIES 2004 - 2005

CONCEPTION D'UN NOUVEAU SYSTEME DE CLIMATISATfON

n

l

l

Figure 1.A2 : Rayonnement entre deux surfaces l

Où Ai sont les aires des deux surfaces, qi les intensités émises par ces surfaces 1

et Fi j les facteurs de forme, exprimant que seule une partie du rayonnement partant

de la surface i parvient à la surface j :

l

, F

\,2 = _1_ JJCOS tp, cos (jJ2 dA dA

A 2 \ 2 7[\ r

(18.A2)

On remarque de suite par symétrie, que: 1

Al FI 2, -- A 2 F 2 1, (19.A2)

1

Si les surfaces ne sont pas noires, le flux net échangé est •

1 s, 2, = A\~ 2(J\, - J 2) (20.A2)

• Où Ji est la radiosité de la surface i

•

•

• 29

PROJET DE FIN D'ETUDE - P. 1. MANE A. NDiAYE - G.E.M. E.S.P. THIES 2004 - 2005


A2 - 3.3 Transfert de chaleur par convection

En transportant une masse m de matière chauffée en un endroit à température

TI à un endroit froid à température T2, on transfère une quantité de chaleur:

1 (21.A2)

1

l

Où c est la chaleur massique moyenne. Ceci est une définition très générale des

transferts par convection. Une définition plus restrictive concerne le transfert de

chaleur entre une surface solide et un fluide en mouvement.

1 La densité de flux de chaleur ainsi échangée peut être décrite par la loi de Newton:

(22.A2)

qui constitue la définition même du coefficient de transfert h entre une surface à

température Ts et un fluide dont la température loin de la surface est TOC) •

De tels transferts ont lieu dans le bâtiment à différents endroits. Le calcul du

coefficient de transfert est souvent très complexe, car il fait appel à la fois à la

mécanique des fluides et au bilan d'énergie [2] (Kreith ou Mc Adams). Nous nous

limiterons toutefois à donner des formules applicables pour l'échange entre des

surfaces solides et l'air.

Pour décrire l'écoulement des fluides, il est commode d'utiliser des nombres

sans dimension. Nous utiliserons par la suite les nombres suivants:

Le nombre de Prandtl du fluide Pr = c I.l. / À. (23.A2)

Où c est la chaleur spécifique à pression constante en J / kg.K, zzla viscosité en

kg / m.s et À. la conductibilité thermique en W / m.K :

Le nombre de Grasshof (24.A2)

PROJET DE FIN D'ETUDE - P. 1. MANE A. NDIA YE - G.E.M. E.S.P. TH lES 2004 - 2005 30


qui dépend d'une longueur caractéristique L en m, de la masse spécifique p en kg /

rrr', du coefficient de dilatation cubique fJ en K-1 et de l'écart de température

dT = T, - Tro g représente l'accélération de la pesanteur (9,81 m/s'') 1 •

l Le nombre de Nusselt Nu = hLI À (25.A2)

Le nombre de Reynolds Re = L JJ pl fi (26.A2)

Où .Il est la vitesse du fluide.

Les propriétés des fluides utilisées dans ces définitions doivent être prises à la

température de la couche limite, que l'on admet souvent être la température moyenne1

entre Ts et Tm .

Convection naturelle:

1 Le phénomène de la convection naturelle peut se décrire comme suit: les

particules de fluide en contact avec une surface chaude voient leur température '1

augmenter. De ce fait, ils deviennent plus légers que les particules environnantes. La

J poussée d'Archimède les élève et les particules montantes sont remplacées par des

particules fraîches.

't Suivant la différence de température entre la surface et le fluide, la force

d'Archimède peut être plus ou moins grande. De ce fait, l'écoulement peut être

laminaire ou turbulent, et les lois de la convection changent.

1

On montre alors que le coefficient de transfert de chaleur h (contenu dans Nu)

, pour la convection naturelle est donné par une fonction du produit de Gr et Pr :

Nu = A (Gr Pr y (27.A2)•

Où A et b dépendent des conditions de convection (laminaire ou turbulent) [2].

•

•

• 31

PROJET DE FIN D'ETUDE - P. I. MANE A. NDlAYE - G.E.M. E.S.P. THlES 2004 - 2005

•

CONCEPTION D'UN NOUVEAU SYSTEME DE CLIMATISATlON

Dans les volumes remplis d'air limités par des plans parallèles distants de e

(assez grand pour être infini vis-à-vis de la convection), le coefficient de transfert

global h' peut être obtenu en sommant les résistances thermiques des différentes

couches:

l 1

h' (28.A2)

l

, ,

Où hl et h2 sont les coefficients de transfert thermique des deux surfaces à

l'air. Il est supposé ici que l'air, à une distance suffisante des surfaces, à une

température homogène.

Convection forcée:

La convection forcée, où le fluide est mis en mouvement relativement au corps

d'échange par une force extérieure, est importante dans les échangeurs de chaleur et

sur la face extérieure des parois soumises aux vents. Les coefficients d'échanges par

convection forcée sont généralement nettement supérieurs à ce que l'on peut obtenir

par convection naturelle.

Pour ce type de convection, le nombre de Nusselt est fonction des nombres de

Reynolds et de Prandtl :

Nu = f (Re, Pr) (29.A2)

Par exemple, le flux de chaleur moyen sur une plaque de longueur L dans un

courant de fluide de vitesse JJ peut être calculé par:

Nu = 0 664 Re 1/2 Pr 1/3, (30.A2)

Des formules empiriques sont utilisées pour traiter des cas de parois en contact

avec l'air atmosphérique. Pour les échanges externes le coefficient d'échange peut se

mettre sous la forme:

a + bV n v (31.A2)

vv représente la vitesse du vent



a, b et n sont des coefficients déterminés de manière empirique. Ces valeurs varient

suivants les auteurs. La plupart de ces valeurs ont été répertoriées par M.

PERRANDEAU [3]. Voir tableau (l.A2).

AUTEURS a b n

Nusselt et Jurges

V < 5 mis 5,8 4,1 1

1 V> 5 mis 7,3 0,78° Sturrock Il,4 5,7 1

Ferries 2,5 3,5 1

Kimura "t

Paroi sous le vent 0,3 0,05 1

1 Paroi au vent

V < 2 mis 8 0,605° '1 V> 2 mis 12,23 11 ° Laret

V < 1 mis 2 1° .., V> 1 mis 2 4 1

Ho .. Paroi sous le vent 9 0,7 1

Paroi au vent

V < 2 mis Il,7 0,3 1

.. 2 mis < V < 8 mis 6,7 2,8 1

V> 8 mis 15 1,8 l ...

Croiset 3,1 4,1 0,605 1

Tableau l.A2 : Valeurs des coefficients a, b et n pour le calcul de hec

33 PROJET DE FIN D'ETUDE - P. 1. MANE - A. NDIAYE - G.E.M. E.S.P. THIES 2004 - 2005

CONCEPTION D'UN NOUVEAU SYSTEME DE CUMATlSATION

Pour les échanges convectifs internes, le coefficient d'échange par convection peut se

mettre sous la forme suivante:

h . = f + g[T - T.]m (32.A2)CI 1 SI

··1 Les valeurs de f, g et m sont déterminées de manière empirique à partir du

tableau suivant: 1

l Surfaces horizontales

Auteurs Surfaces verticales Flux ascendant Flux descendant., g f m g f m g f m

"1 Mitalas 1,02 0 0,33 - - - - - -

Ferries 1,6 0 0,33 2,1 0 0,33 1 0 0,33

Gaignou 1,845 0 0,25 - - - - 1 1 ,".:·1 Briis 1,88 0 0,32 2,42 0 0,31 0,6 0° Byvok 0 4 0 5 0 0 2,5 0l °

Heat 1 1,7 0425 1 1,7 0,425 1 1,7 0,425 :11

Tableau 2.A2 : Valeurs des coefficients g, f et m pour la détermination de hci

Evaporation - condensation:

Ce processus a lieu chaque fois que de l' eau (ou un autre liquide) s'évapore

dans une zone chaude pour se condenser dans une zone plus froide. La quantité de

chaleur ainsi transportée comprend la chaleur d'évaporation et la chaleur sensible: .. (33.A2)

-Où m est la masse de vapeur transportée, L la chaleur latente d'évaporation

- (2,5 MJ/kg pour l'eau) et c la chaleur spécifique (4,18 kJ / kg.K pour l'eau).

PROJET DE FIN D'ETUDE - P.!. MANE - A. NDIAYE - G.E.M. E.S.P. THIES 2004 - 2005 34


A2 - 4 Transmission thermique des éléments de construction en régime

stationnaire

l

1

A2 - 4.1 Résistances thermiques pour des couches homogènes

En régime stationnaire, la densité de flux traversant une couche homogène de

conductibilité thermique A et d'épaisseur d soumise à une différence de température

11T est donnée par :

l

,

q = -AI1T 1d

Par analogie avec la loi d'Ohm, (U =

T = Rq Où

RI), on peut poser:

R = dl A

(34.A2)

(35.A2)

1 Où R est la résistance thermique de la couche.

1 Lames d'air :

'1

La résistance thermique d'une lame d'air non ventilée (donc fermée), Rg, peut

être calculée au moyen des formules des paragraphes sur le rayonnement et la

convection décrits plus haut, en ajoutant les flux respectifs.

•

•

Les lames d'air ventilées peuvent être considérées comme la dernière couche

du mur, si la lame est fortement ventilée. En d'autres termes, on peut arrêter le calcul

à la lame d'air ventilée, en admettant que cette lame se trouve à la température

extérieure. On peut alors prendre un coefficient de transfert thermique inférieur à

celui qu'on prend pour l'extérieur.

• Surfaces:

•

Les résistances superficielles intérieure (Rsi) et extérieure (Rse) utilisées dans le

calcul sont égales à l'inverse du coefficient de transfert hi ou he total (rayonnement et

convection).

En ce qui concerne la convection, les dimensions latérales des parois étant

généralement grandes, l'écoulement est généralement turbulent pour des parois

verticales et pour des dalles où le flux de chaleur va de bas en haut.1

35 PROJET DE FIN D'ETUDE - P. 1. MANE A. NDIAYE - G.E.M. E.S.P. THIES 2004 - 2005


On peut donc calculer hi et he par les formules des paragraphes

rayonnement et la convection décrits plus haut, en ajoutant les flux respectifs.

sur le

Ce sont des grandeurs variables, mais, en moyenne, on peut les assimiler à des

constantes. Ces valeurs comprennent le rayonnement (surface émissive), la

convection naturelle et l'effet du vent moyen.

Composants fonnés de couches homogènes:

l

1

La résistance thermique totale d'un composant plan formés de couches

homogènes perpendiculaires au flux de chaleur est la somme des résistances des

différentes couches du composant.

" De surface à surface :

R, = RI + R2 +..... + Rn + Rg 1 + Rg2 + .....+ Rgn (36.A2)

,

'.

D'environnement à environnement:

RT = R, + R, + Rse (37.A2)

Où RI, R2,......• Rn sont les résistances thermiques des couches homogènes

RgI, Rg2, Rgn sont les résistances thermiques des lames d'air.

..

•

A2 - 4.2 Transmission thermique

Le coefficient K de transmission thermique des composants est l'inverse de la

résistance thermique totale d'environnement à environnement, alors que la

conductance thermique A est l'inverse de la résistance de surface à surface.

.. K = 1/ RT (38.A2)

Ainsi, le flux de chaleur passant par une paroi plane en régime stationnaire est

donné par:

q (39.A2)

En d'autres termes, le coefficient K donne le flux de chaleur au travers de la

paroi pour une différence de température de 1 Kelvin entre les deux environnements.

PROJET DE FIN D'ETUDE - P, L MANE - A. NDIAYE - G.E.M. E.S.P. THIES 2004 - 2005 36


Composants contenant des couches non homogènes:

Il est possible de calculer les limites supérieure et inférieure de la résistance

thermique d'environnement à environnement pour un composant plan formé de

couches et non homogènes parallèles aux surfaces. La résistance thermique totale du l composant peut être estimée par la moyenne des deux limites. L'erreur maximale

possible en utilisant cette approximation dépend du rapport de la limite supérieure à

la limite inférieure.

Le calcul des limites supérieure et inférieure est effectué en découpant le

composant en sections et en couches, (figure 2.A2) de manières à diviser le l

composant en parts homogènes.

1 Les sections fi (m = a, b, C, .••. ), perpendiculaires à la surface du composant,

ont des aires Am. 1

Les couches j G= l, 2, .... n), parallèles aux surfaces ont des épaisseurs dj .

l Chaque part a une conductibilité thermique Â.mj, une épaisseur dj et une résistance

thermique Rmj. 1 ..

..'1

Ab

Ir1 L....-

III.Ac Ir

1Jill.

'1

Ad r

" .. ... ... ... Le composant Découpé en sections

• Puis en couches le

divisant en pat •

Figure 2.A2 : Division du composant en couches homogènes

• 37

PROJET DE FIN D'ETUDE - P. 1. MANE A. NDIAYE - G.E.M. E.S.P. THIES 2004 - 2005

•

CONCEPTION D'UN NOUVEAU SYSTEME DE CLIMATISATION .]

La limite supérieure de la résistance thermique R'T s'obtient au moyen de la

formule suivante en supposant que les lignes de flux sont perpendiculaires aux

surfaces.1

R' = Aa + Ab + + An (40.A2)

T Aa / RTa + Ab / RTb + + An / RTn

Où RTa, RTb, , RTn sont les résistances thermiques totales de chaque section,

calculées à l'aide des formules plus haut.

La limite inférieure R" Test déterminée en supposant que tous les plans

parallèles aux surfaces sont des isothermes. l

Une résistance thermique équivalente Rj est calculée pour chaque couche non ., homogène par:

1 R. = Aa + Ab + + An (41.A2)) Aa / Rja + Ab / Rjb + + An / Rjn

1 Rj peut aussi être déterminée en calculant une conductibilité thermique

moyenne de la couche non homogène au moyen de : , R . = d . / A~' (42.A2)) ) )

'. Où la conductibilité thermique moyenne apparente À;' est:

"!

Â'.' = ÂaAa + ÂbAb + + AnAn (43.A2)'1 ) Aa + Ab + + An

En posant dmIRgmpour la conductibilité thermique apparente d'une lame d'air.

La limite inférieure est alors calculée au moyen de :

.. R' 'T = Rse+ R, + R J + R2 + Rn (44.A2)

Une estimation de la résistance thermique est alors donnée par la moyenne•

arithmétique des deux limites:

• (45.A2)

PROJET DE FIN D'ETUDE - P. I. MANE - A. NDIAYE - G.E.M. E.S.P. THlES 2004 - 2005 38

CONCEPTION D'UN NOUVEAU SYSTEME DE CLIMATISATION-1

L'erreur absolue maximale est égale à la demi différence entre les deux limites

et l'erreur relative maximale possible due à cette approximation est:

(46.A2)

Le fait que le rapport soit très différent de 1 signifie que la structure présente

des ponts thermiques importants (le secteur de moindre résistance thermique est

appelé pont thermique). Il est évident que ces ponts thermiques se trouvent dans les

sections de plus basse résistance Rm•

Régime harmonique établi: , Le régime harmonique est établi lorsqu'une structure est soumise depuis

., suffisamment longtemps à des variations sinusoïdales de température et/ou de flux .

Dans ce cas, la température et le flux en tout endroit seront des fonctions

harmoniques (sinusoïdales) du temps.

La résolution de l'équation de la chaleur est intéressante pour deux raisons:

Premièrement, toute variation périodique peut être décomposée en série de Fourier

1 [2]. Deuxièmement, les bâtiments sont soumis à des variations quasi périodiques de

flux et de température. Les deux périodes importantes sont données par les variations

circadiennes (P = 24 h) et saisonnières (P = 1 an = 8765 h). Sans prétendre simuler

totalement leur comportement, on déduit par des calculs relativement simples des

critères utiles à la prédiction qualitative du comportement thermique dynamique des

bâtiments. •

Milieu semi infini homogène:•

Dans ce cas, on soumet la surface d'un milieu semi fini, placé dans le demi

espace x > 0, à une température de surface harmonique.

La plupart des matériaux de construction (saufles matériaux contenant de l'eau

comme les bois) ont une chaleur spécifique de l'ordre de 1 kJ/kg.K. Ainsi, la quantité

d'énergie stockée dans la matière dépend essentiellement du produit de la masse

volumique par la conductivité thermique.

39 PROJET DE FIN D'ETUDE - P. 1. MANE - A. NOtAYE - G.E.M. E.S.P. THIES 2004 - 2005


Cette dernière étant généralement plus élevée pour les matériaux denses que

pour les matériaux légers, il est évident que la capacité de stocker la chaleur en

régime dynamique est meilleure pour les matériaux lourds.

Eléments de construction plan multicouches:

La plupart des parois, des dalles et des toitures de bâtiments sont formées de

plusieurs couches dont les propriétés thermiques sont différentes. Même si la paroi 1

est homogène, les transferts thermiques des deux surfaces de cette paroi à l'air

l ambiant influencent la propagation de la chaleur dans la masse de la paroi.

l A2 - 5 Apports internes de chaleur

Les apports calorifiques ayant leur source à l'intérieur d'un local prennent la 1

forme de dégagement de chaleur sensible et de chaleur latente.

Les principales sources de chaleur internes sont les suivants:

- Occupants (chaleur sensible + chaleur latente) ; '1

- Apports électriques: éclairage, moteurs, appareils électriques (chaleur

sensible) ; '1

- Combustion de gaz (chaleur sensible + chaleur latente) ;

• Les apports sensibles sont dissipés de manières convective et radiatives dans

des proportions variables selon leur origine.

A2 - 5.1 Les échanges du corps humain avec l'air ambiant

• La chaleur dégagée par un individu est la somme d'une énergie sensible et

d'une chaleur latente liées au métabolisme, à la respiration et à l'évaporation cutanée. Il

Cette chaleur dépend de 1'habillement, de l'activité du sujet, de la température de

• l'humidité et de l'ambiance. La proportion de la part latente croit avec la température

sèche de l'ambiance. •

•

PROJET DE FIN D'ETUDE - P. 1. MANE - A. NDiAYE - G.E.M. E.S.P. THIES 2004 - 2005 40


l

La respiration:

Nous avons vu plus haut que la composition approximative de l'air de l'air

atmosphérique était en volume:

Gaz neutres (azote ou gaz rare) 79 0/0 l

Oxygène 21 0/0

Il contient en outre un pourcentage très faible de l'ordre de 0,03 % d'anhydride

carbonique. Quand il est expiré par les poumons, cet air est sensiblement à la

température interne de l'organisme soit 37 "C en moyenne, et il est saturé de vapeur

d'eau. Il a en général la composition volumétrique suivante: '1

Gaz neutres 79 0/0 1

Oxygène 16,5 %

Anhydride carbonique .4 0/0

On sait que cette production de CO2 correspond à l'oxydation de produits

organiques: une partie seulement de l'oxygène traversant les poumons est ainsi fixée.

Il est à noter que le volume de gaz carbonique dégagé est légèrement inférieure au '1

volume d'oxygène fixé: le rapport CO2 est appelé quotient respiratoire peut varier de O2

1

0,80 à 0,95 suivant les sujets et leur activité [1].

1

Des relevés concernant des collectivités ont montré que, pour des sujets au

repos ou exerçant une très faible activité, la consommation en oxygène était de 1

l'ordre de 25 litres par heure en moyenne. Des essais analogues ayant trait au

dégagement de gaz carbonique ont conduit beaucoup d'auteurs à adopter le chiffre de

20 litres par heure, pour des sujets au repos ou exerçant une très faible activité. 11

Toujours dans les mêmes conditions, on pourra admettre que la quantité

• horaire d'air circulant dans les poumons est de 400 litres environ.

En conditionnement d'air, on reste en général très en dessous des limites •

supérieures admissibles pour les teneurs en CO 2 et en substances toxiques animales:

41 PROJET DE FIN D'ETUDE - P.!. MANE - A. NDIAYE - G.E.M. E.S.P. THIES 2004 - 2005


en effet, on ne vise pas à maintenir seulement les conditions de vie minima mais à

assurer un confort effectif. Toutefois il nous a semblé intéressant de reproduire les

conclusions de M. Istin sur les conséquences de la vie en air confiné.

La coexistence des facteurs de pollutions que nous venons d'énumérer amène à l

la notion d'air confiné, appauvri en oxygène enrichi en gaz carbonique et en

humidité, et dans lequel mauvaises odeurs et germes microbiens contribuent à créer, 1

pour les sujets qui y vivent, en ensemble de conditions anormales, entraînant au bout

l d'un temps plus ou moins long des troubles qui peuvent être graves.

Pour ces raisons il est primordial de veiller à la qualité de l'air conditionné en

vue d'améliorer le confort des sujets qui évoluent au sein du local.

La température du corps humain:

1 On sait que l 'homme est un «homéotherme» c'est-à-dire un organisme qui

maintient constante sa température interne. Il est doué de remarquables propriétés de 1

régulation thermique puisque sa température reste toujours voisine de 37 "C lorsqu'il

est en bonne santé, que ce soit au Sahara par 50 "C à l'extérieur ou en Sibérie par1

60 "C. Ces possibilités d'adaptation à des températures différentes proviennent d'une

1 part d'une véritable auto régulation d'autre part de l'expérience acquise par l'homme

de l'usage des vêtements contre les intempéries. 1

Alors que la température interne reste voisine de 37 "C celle de la surface de la

1 peau peut varier entre des limites assez larges. Il est reconnu que le front, la poitrine,

le ventre et la région des épaules est plus chaude que le nez, les oreilles, les mains et

les pieds.

• La température du front varie dans les limites étroites car la proximité du

cerveau forme volant thermique. Ces chiffres sont évidemment très subjectifs, les

sensations varient largement d'une personne à une autre.

• La peau est le plus souvent à une température nettement inférieure à 37 "C par

exemple pour une température de l'air de 18 "C. 1



l

La couche périphérique où il existe un gradient sensible de température

n'aurait qu'une épaisseur de 3 cm environ: elle correspond toutefois à un volant

l thermique suffisant pour que le corps puisse encaisser de fortes

températures momentanées sans que la température des organes

variations de

internes soit

1 modifiée: elle comprend une couche musculaire et graisseuse et la peau est dite

'1 poïkilotherme, étant à température variable: elle est le siège des échanges de chaleur

entre l'ambiance extérieure et les organes internes.

Pour un individu en bonne santé, la température de ces derniers ne varie que

très peu avec l'activité: il faut un travail musculaire très violent pour la faire monter

de 1°C, exceptionnellement on a relevé des températures internes de 39 à 40 "C dans

1 des mines d'étain et de cuivre très chaudes, et de 38 "C dans des chaufferies de

paquebot en mer rouge (HALDANE, VAN SEVAUTH et DOLCOATH) [1].

1 La production calorifique du corps humain:

, Nous avons vu dans le paragraphe ayant trait à la respiration que l'organisme

humain présentait certaines analogies avec un moteur thermique, et qu'il s'y

1 produisait des réactions physico-chimiques comparables, quant à la nature des

1

échanges avec l'extérieur, à une combustion. Les quantités d'oxygène brûlé et de gaz

carbonique expiré dépendent de l'activité, c'est-à-dire du rendement de l'individu: il

est en est de même de la quantité de calories produites. La température interne du

•

corps restant sensiblement constante, les calories produites dans l'unité de temps sont

donc éliminés intégralement pendant la même unité de temps, aux déphasages près.

'1

qUI

On conçoit donc que l'activité de l'individu soit intimement liée à la possibilité

lui est donnée d'éliminer les calories dues à cette activité: il exercera cette

li dernière d'autant plus facilement que l'équilibre entre production et élimination

li

entraînera le déplacement le plus faible de l'équilibre biologique interne. Nous

sommes ainsi ramenés à la notion de confort, que nous avons rapprochée de la facilité

• avec laquelle l'individu peut se concentrer sur son occupation du moment.

PROJET DE FIN D'ETUDE - P. 1. MANE A. NDIAYE - G.E.M. E.S.P. THIES 2004 - 2005 43


Nous allons examiner rapidement dans quelles limites vane la production

calorifique du Corps, et quels sont les moyens dont il dispose pour éliminer ces

calories.

-1

La chaleur dégagée par le corps l'est sous deux formes:

- Chaleur sensible correspondant à un transfert direct de calories tendant à

réchauffer le milieu ambiant, air et parois.

l - Chaleur latente, correspondant à l'émission dans l'ambiance de vapeur

d'eau: les calories correspondantes n'élèvent pas la température de l'air ou des parois,

1

'1

mais elle augmente l'enthalpie de l'air par incorporation de vapeur d'eau. Cette vapeur

d'eau provient d'une part de la respiration, d'autre part de l'évaporation de la sueur sur

l'épiderme, la chaleur de vaporisation correspondante étant prise, pour la plus grande

partie, au corps lui-même.

On a coutume de caractériser la production calorifique en faisant la somme de

1 ces deux quantités sous le nom de chaleur totale: pour situer le caractère de l'échange;

il Y a lieu d'indiquer en même temps la quantité de vapeur d'eau émise étant entendu

que la chaleur de vaporisation a été comptée dans la chaleur totale.

La détermination expérimentale des chaleurs dégagées sous différentes

conditions d'ambiance et travail a fait l'objet de nombreuses études, en particulier de la

part de M. le Professeur LEFEVRE [1]. Il en expose les résultats dans sa

communication à l'académie des Sciences faite en 1925 avec M. AUGUET, puis au

cours du Congrès de Chauffage de 1931 [1 ]. L'American Society of Heating and

Ventilating Engineers a également effectué de longues et méthodiques recherches, en

Il

particulier celle de Houghlen et Yaglou, dont les conclusions ont été publiées dans un

numéro de Heating, Piping and Air Conditionning [Il

• Des ingénieurs français ont continué à apporter une très large contribution à

l'étude de ces problèmes: nous rappellerons les travaux bien connus de M. René

• DUPUY qui au cours des Congrès du Chauffage et de la ventilation des locaux

• habités a présenté les équations traduisant les échanges du corps humain avec


l


l'extérieur, en signalant l'influence de la nature des vêtements, en particulier sur

l'évaporation, et a attiré l'attention sur le phénomène de passage lié aux changement

d'ambiance ainsi que de M. André MISSENARD [1] sur l'équivalence thermique

des ambiances et les bases physiologiques des climats artificiels.

Ces travaux ont été poursuivis et continuent de l'être dans de nombreux pays:

la multiplicité des facteurs qui interviennent explique leur ampleur et les

expérimentations très longues et délicates qu'ils nécessitent.

Nous reproduisons ci-dessous un tableau donnant en kilocalorie par heure

l'ordre de grandeur des calories totales dégagées par un individu suivant l'activité 1

qu'il déploie, d'après M. MISSENARD [1] :

'1 Basal

Assis ou au repos

Debout au repos

Habillage et déshabillage

Travail léger debout.

'1 Dactylographie rapide

Employé peu actif debout à un comptoir

Relieur de livres

Charpentier

Travaux léger des métaux à l'établi

• Serveur de restaurant

Marche à la vitesse de 5 km/h 1

Danse active ou marche de 6,5 km/ho

Maçon tai lleur de pierres • Ouvrier sciant du bois

• Moissonneur

Course à la vitesse 8,5 à 9 km/h •

Effort maximum suivant la puissance individuelle et la durée

74

96

108

118

140

142

'" 150

155

240

240

250

270

350

375

.450

450 à 500

580

750 à 1200

• Tableau 3.A2 : Dégagements individuels de chaleur des personnes

PROJET DE FIN D'ETUDE - P. L MANE - A. NOl AYE - G.E.M. E.S.P. THIES 2004 - 2005 45


î que

Il Y a lieu de noter l'importance à accorder au mécanisme basal qui est, ainsi

l'a défini M. le Professeur LEFEVRE, la première forme de production

l calorifique qui s'impose inéluctablement à l'organisme, puisqu'elle résulte de cette

activité fondamentale sans laquelle il ne saurait vivre (travail du cœur, mécanisme

-'1 respiratoire, secrétions, tonus de l'excitabilité musculaire).

'''1 La chaleur sensible:

Elle est éliminée par trois voies:

, 10 Par rayonnement: la peau rayonne soit directement vers les parois

lorsqu'elle est nue, soit vers les vêtements: les calories perdues sont de l'ordre de 30

1 à 40 kcal par heure par individu vêtu, demeurant dans un local fermé à faible densité

d'occupation, où règne une température d'environ 18 "C [1]. La chaleur rayonnée par

les individus possédant une épaisse couche de graisse devrait être plus faible que

::1

celle rayonnée des individus maigres, car leur température superficielle est plus

basse, la graisse formant une couche isolante, mais cela n'est pas absolument certain,

'1 la circulation sanguine pouvant être plus active et augmenter les échanges.

2° Par convection: il se produit même en air parfaitement calme des courants

de convection au contact de la peau, qui enlèvent une autre partie des calories

'1 sensibles: ces calories échauffent l'air extérieur directement pour les zones nues, à

• travers les vêtements par les autres.

La quantité de calories ainsi enlevée est d'autant plus importante, pour le cas

'1 ou l'air est plus froid que la peau, que celle-ci est moins recouverte et que les

vêtements sont plus poreux et moins isolants. Dans les mêmes conditions que

précédemment, la quantité des calories perdue par convection peut être de l'ordre de

• 20 à 30 kcal/h [1]. Dans le cas des plongeurs sous marins les échanges entre l'eau et

l'épiderme sont évidemment considérables et doivent être freinés par le port de

combinaisons isolantes.

PROJET DE FIN D'ETUDE - P.!. MANE A. NDIAYE - G.E.M. E.S.P. THIES 2004 - 2005 46


On peut également compter les calories sensibles emportées par l'air expiré,

l'air aspiré s'échauffant jusqu'à 37 "C environ par convection forcée au contact de la

surface d'échange des poumons.

]0 Par conductibilité: par contact direct entre le corps et les parois du local ou l

du mobilier qu'il contient: cette fraction est extrêmement faible et ne peut être

évidemment chiffrée à l'avance, même approximativement.

La chaleur latente:

Elle correspond, nous l'avons vu précédemment, à l'émission dans

l l'atmosphère de vapeur d'eau provenant, soit de la respiration, puisque les poumons

exhalent de l'air presque saturé, de l'évaporation de la sueur perlant sur l'épiderme. 1

On voit qu'il n'y a qu'une dépendance étroite entre élimination de la chaleur , sensible et celle de la chaleur latente, une partie de l'élimination de la chaleur totale

pouvant se faire sous la première ou sous la seconde forme: si l'individu transpire, 1

de la chaleur sensible n'apparaît pas sous forme d'élévation de température, mais

, sera utilisée pour vaporiser à température constante une certaine quantité de sueur.

A2 - 5.2 Appareils à gaz1

La combustion du gaz intervient dans le bilan calorifique sous forme de

1 chaleur sensible et de chaleur latente produite par dégagement de vapeur d'eau.

A2 - 5.3 Appareillage électrique • L'éclairage constitue la principale source électrique dans les logements. Dans

1

le tertiaire, des appareillages spécifiques contribuent également à la charge interne:

les machines à écrire, photocopieuses, moteurs, ventilateurs ... '/1

L'éclairage dégage de la chaleur par convection avec l'air ambiant et

• rayonnement absorbé par les parois et les objets environnants. Les lumières se

divisent en deux classes: l'éclairage à incandescence (80 % d'énergie rayonnée dont •

70 % dans l'infrarouge) et l'éclairage fluorescent (50 % d'énergie rayonnée dont 30

• % dans l' infrarouge). 47


1

11

.,

"1

'1

•

•

•


Le tableau 4.A2 de la page suivante donne des exemples de puissances

produites par différents appareils électriques:

Appareils Puissance sensible (Watts)

Machine à écrire 58 à 116

Photocopieuse (200 copies par heure) 116à232

Cuisinière électrique 3000

Réfrigérateur 175

Machine à laver 6000

Grille pain (4 tranches) 2500

Tableau 4.A2 : Dégagements de chaleur d'appareils électriques

Les chiffres cités ci-dessus représentent dans l'ensemble des puissances

nominales ou maximales susceptibles. Dans un calcul de bilan, on tient compte des

durées et horaires de fonctionnement des sources.

Pour plusieurs méthodes pratiques, le bilan thermique consiste à calculer

probablement les apports de chaleur sensible et latente pour le cas le plus

défavorable. Il s'agit donc de déterminer la charge thermique de l'enceinte à

climatiser c'est-à-dire la puissance calorifique à retirer de l'enceinte à un moment

donné de la journée où cette charge thermique est maximale.

Les programmes de calculs tiennent compte de spécificités telles que:

• Le niveau d'altitude où est situé l'installation;

• Le lieu géographique du site;

• Le mois, le jour et l'heure choisie;

• Les conditions de température extérieure et intérieure des locaux;

• Les caractéristiques de l'air extérieur évoluant le long de la journée ;

• La position réelle des parois vitrées ou opaques ensoleillées ou non en

fonction du soleil;

PROJET DE FIN D'ETUDE - P. 1. MANE - A. NDIAYE - G.E.M. E.S.P. THIES 2004 - 2005 -48


• L'inclinaison des vitrages

verticale (debout) ;

entre la position horizontale (couchée) ou

l

A2 - 6 Données de base

A2 - 6.1 La position géographique

On utilise souvent la longitude et la latitude du site sur terre.

Gn.!L'n\~ ich mcridi un

-----N

..

•

Figure 3.A2 : localisation géographique d'un site

..

•

•

•

La latitude d'un lieu sur terre permet de caractériser son éloignement depuis

l'équateur.

A2 - 6.2 Heure solaire, heure locale

Le temps universel que l'on note TU est l'heure locale à Greenwich, une ville

d'Angleterre qui se trouve sur le méridien de longitude 0°. Il est midi en TU lorsque

le soleil passe au méridien de Greenwich. Cependant, il ne faut pas confondre le

temps universel et l'heure GMT (« Greenwich Mean Time» temps moyen de

Greenwich). En effet, l'origine du temps est à minuit à Greenwich tandis que celle de

l'heure GMT y est à midi.



l

A2 - 6.3 Orientation parois

N l

1 o

s l

Figure 4.A2 : orientation d'une paroi l

L'orientation se rapporte à l'angle d'azimut de la surface relatif au nord. 1

Seulement, les surfaces absolument horizontales n'ont pas d'orientation, toutes les

autres surfaces, même celle placées très prés de l' horizontal peuvent être attribuées à 1

une orientation tel que l'angle d'azimut peut être calculé à partir de la surface

1 normale. Tandis que l'orientation réelle est habituellement donnée en degré à partir

de l'orientation nord, elles peuvent également être données dans des directions telles 1

que (S) du sud, (SE) sud est ou ouest (0).

1

A2 - 7 Formulaire pratiques des différentes charges

Les formules pratiques sont proposées sur différents types de feuilles de

calculs que nous présenterons par la suite:

1

A2 - 7.1 La chaleur dégagée par les personnes: Q ip

Elle se décompose en chaleur sensible et chaleur latente. Elle est fonction de la

personne et est donnée par le tableau de Carrier suivant l' activité de la personne [4].

Voir tableau 3.A.

• A2 - 7.2 La chaleur dégagée par l'éclairage: Qie

Un choix judicieux du mode d'éclairage et des appareils correspondants est •

très important pour un local à climatiser car les charges thermiques occasionnées par

•



l'éclairage sont loin d'être négligeable dans le bilan de charge final. Ce choix permet

de faire des économies substantielles sur les installations de fonctionnement.

La quantité de chaleur cédée par l'éclairage se calcule par la formule:

Q ie = Pli 12 P e (47.A2) l

P = Puissance totale raccordée des luminaires;

II = Coefficient de simultanéité = 1 ;

lz = Facteur de chaleur résiduel des luminaires dépendant de la façon dont

ceux-ci sont léchés par l'air en mouvement, h varie entre 0,2 et 0,7 pour les

luminaires ventilés; Pour les luminaires non ventilés h = 1 ;

pe = Facteur de pondération de l'éclairage, il est fonction de la disposition des

1 luminaires et il tient compte du fait que les rayonnements émis par les lampes sur les

parois et les objets contenus dans le local les réchauffe. 1

Types de Temps écoulé depuis la mise en Temps écoulé depuis 1 luminaires route de l'éclairage l'arrêt de l'éclairage

Luminaires non ventilés incorporés Jusqu'à 2à8h 8 à 16 h > 16 h Jusqu'à 2à6 > à6 h dans le plafond ou 2h 2h h sous le plafond

1 dans un bâtiment 0,75 0,9 1 1 0,2 0,1 peu accumulateur °

, Luminaires ventilés 0,1par reprise d'air 0,6 0,75 0,9 1 0,15 0,15

•

Tableau 5.A2 : facteur de pondération p,'J

!I A2 - 7.3 Chaleur dégagée par les appareils, machines et sources

diverses: Q id

• La détermination de cette chaleur nécessite la connaissance réelle de l'appareil,

de la machine ou de la source de chaleur; par exemple, pour certains produits, il •

convient de connaître leur chaleur massique et leur température d'échauffement.



l

Pour un moteur électrique, il faut connaître sa puissance absorbée, sa durée de !l

mise en marche et son facteur de simultanéité.

l A2 - 7.4 Chaleur dégagée à travers les parois: Q pr

Cette quantité de chaleur est calculée de la même façon aussi bien en charge l

interne qu'en charge externe; elle permet de déterminer la chaleur transmise par les

parois (mur, cloison, toit, sol, plancher) à partir de l'extérieur ou des locaux

contigus; elle est donnée par la formule : l

Q =KA~e (48.A2)pr

1 K = Coefficient global de transmission thermique de la paroi considérée

(W/m2.K)

A = Surface de la paroi (rn")

1 ~e= Ecart de température entre l'extérieur et l'intérieur de la paroi considérée

La détermination du coefficient K se fait avec la formule suivante:

1 1 n e. 1_1_+1

K -+2:

Ài (49.A2)

h ext i = 1 hint

1

hext = Coefficient d'échange par convection entre la face extérieure de la paroi

.. et l'air extérieur ;

hint = Coefficient d'échange par convection entre la face intérieure de la paroi et

• l'air intérieur;

, ej = Epaisseur de la paroi i ;

Ai = Conductivité thermique de l'épaisseur ej.

• A2 - 7.5 Chaleur transmise à travers les vitrages: Qev

C'est la quantité de chaleur transmise par le vitrage du local conditionné et • provenant du rayonnement solaire direct ou diffus. Les rayons solaires atteignent

• aussi les parois et provoquent leur échauffement excessif au delà de la température

ambiante extérieure. Cette chaleur, par ensoleillement, est donnée par [4] :

52 PROJET DE FIN D'ETUDE - P. 1. MANE - A. NDIA YE - G.E.M. E.S.P. THIES 2004 - 2005


(SO.A2)

AI = surface de vitrage ensoleillée; l

A = surface totale de vitrage;

l l = intensité de l'ensoleillement global maximum;

IdifT.max = intensité de l'ensoleillement diffus maximum reçue par les surfaces

1 vitrées;

a = facteur de trouble; l

En atmosphère pure, a = 1,15 pour toute orientation du local sauf le nord;

1 En atmosphère grande ville, a = 1 pour toute orientation du local sauf le nord;

En atmosphère industrielle, a = 0,87 pour toute orientation du local sauf le nord;

Pour le nord, on a toujours a = 1 ;

r est le coefficient de transmittance du verre et des éventuels écrans anti

solaires;

l S = facteur d'accumulation.

Il faut noter que la quantité de chaleur rayonnée Qev représente une part très

importante de la charge thermique totale. Ainsi, il est toujours nécessaire de trouver

les solutions pour minimiser cette chaleur en utilisant des protections anti-solaires là • où le vitrage existe; ou bien, en utilisant des verres réfléchissants (aluminium). Le

facteur le plus important est le choix de l'orientation du local lors de sa construction.

, Il est à préciser que, en plus de la chaleur transmise par rayonnement, les

vitrages comme les parois transmettent aussi de la chaleur par convection conduction

d'après la même form ule :

Q ev 2 = K fA ~ () (Sl.A2)

A = surface totale du vitrage de la paroi considérée; •

K' = coefficient global de transmission du verre;

• 6.9 = écart de température;

53 PROJET DE FIN D'ETUDE - P. 1. MANE - A. NDlAYE - G.E.M. E.S.P. THIES 2004 - 2005


La quantité de chaleur totale dégagée par les vitrages est donnée par:

Qev = Qevl + Qev2 (52.A2)

l K' = 5,23 W/ m2.K pour une fenêtre à vitrage simple et à menuiserie bois;

K' = 5,82 W/ m2.K pour une fenêtre à vitrage simple et à menuiserie 1

métallique;

l K' = 3,26 W/ m2.K pour une fenêtre à vitrage double (avec une lame d'air de

12 mm) et à menuiserie bois;

K' = 3,95 W/ m2.K pour une fenêtre à vitrage double (avec une lame d'air de

12 mm) et à menuiserie bois; l

Al - 7.6 La chaleur dégagée par le renouvellement d'air: Q na

Pour des besoins physiologiques de l'organisme humain, il faut fournir une

certaine quantité d'air neuf aux occupants du local à climatiser. Cet apport d'air neuf

engendre des charges supplémentaires en chaleur latente et sensible. D'ailleurs, dans

1 certains cas particuliers comme dans les laboratoires, les hôpitaux et certains

complexes industriels, les installations de conditionnement fonctionne en tout air , neuf. Il n'y a aucune reprise d'air.

1 La quantité de chaleur apportée par le renouvellement d'air est donnée par la

formule: 1

- En chaleur sensible: Qrnas = 0,34 Vn(Bna - BJ (53.A2)

- En chaleur latente: Qmal = 0,825 V n (x na - x;) (54.A2)

Qrna = Qmas + Qrnaf (55.A2)

Vn = débit d'air neuf;

(Jna et x na = respectivement température sèche et humidité absolue de l'air

neuf;

(Jj et Xi = respectivement température sèche et humidité absolue de l'air

intérieur;

54 PROJET DE FIN D'ETUDE - P. I. MANE - A. NDIAYE - G.E.M. E.S.P. TH lES 2004 - 2005


Le débit d'air neuf V, est obtenu grâce au taux appelé taux de renouvellement '1

d'air (T rna ). V n

T rna (Cycle / heure) (56.A2)Vi

Vi = volume intérieur du local à climatiser. 1

A2 - 7.7 La chaleur perdue à travers les gaines de "

distribution: Qeg

l Ces pertes de froid à travers les gaines de distribution sont fonction des

dimensions géométriques des types d'isolation thermiques utilisés et de la différence l

de température entre l'air froid en circulation et l'air chaud environnant. Cette

quantité de chaleur perdue est donnée par la formule:

- Pour les gaines de soufflages: l

(57.A2) 1

- Pour les gaines de reprise:

11 Qegr = 0,9 PLK (e e - ei ) ~ (58.A2)

Vs 1

P = périmètre de la gaine;

L = longueur du tronçon de gaine considéré;'1

K = coefficient de transmission global;

ee, es, ei = température sèches ambiantes, de soufflage et intérieure;

Vc, Vs= débit d'air recyclé, débit d'air soufflé; 1

Il faut protéger les gaines contre l'ensoleillement comme préconisé pour les vitrages.

1


1


l

l

A2 - 7.8 La chaleur dégagée par les ventilateurs: Qvts

Quand, dans une centrale de traitement d'air, le ventilateur de soufflage se

trouve en amont de la partie froide, l'apport de la chaleur dû à ce ventilateur

représente une perte frigorifique sensible sur l'air froid; donc l'équivalent calorifique

du travail mécanique du ventilateur doit être pris en compte dans le bilan thermique.

Cette quantité de chaleur est calculée comme suit:1

- Pour les ventilateurs de soufflage:1

Qvis l

- Pour les ventilateurs de reprise:

Q vtr

Disposition de moteur

d'entraînement

AI' extérieur de la veine

d'air

Al' extérieur de la veine

d'air

Ventilateur (TJ=O,7)

Installation centralisée

0,92

1,16

(59.A2)

(60.A2)

Ventilateur (TJ=O,5)

Installation décentralisée

1,46

1,82

Tableau 6.A2 : coefficient a pour les ventilateurs

~P = Ecart de pression manométrique totale (Pa) ;

~es= écart température intérieure température de soufflage;

QIS et QES = quantité de chaleur totale interne et externe.

•



La charge thermique totale du local à climatiser correspond t à l'ensemble

des quantités de chaleur recensé dans le local et à l'extérieur du local.

Elle est donnée par: 1

QTOT = L charges internes + L charges externes = L chaleur latente + L chaleur 1

sensible (61.A2)

l

1

'1

1

1

•

PROJET DE FIN D'ETUDE - P. I. MANE - A. NDIA YE - G.E.M. E.S.P. THlES 2004 - 2005 57


A3 - Confort thermique dans l'habitat

A3 - 1 Qu'entend- on par confort ou inconfort? l

Il serait vain de vouloir donner à ces expressions des définitions rigides, car il

s'agit d'éléments essentiellement subjectifs. Nous pensons que l'on peut se baser sur

le fait qu'un individu considérera qu'il est placé dans des conditions confortables

lorsqu'il lui est facile de concentrer ses facultés sur son occupation du moment:

1 travail physique, intellectuel, repos, éveillé ou même sommeil. On voit qu'un très

grand nombre d'éléments entrent en ligne de compte, et tout le monde est maintenant

familiarisé avec l'influence des facteurs suivants:

- Niveau d'activité de l'être humain et nature de ses vêtements;

- Pureté et composition de l'air; état d'ionisation, odeurs;

- Pression de l'air;

- Température de l'air; 1

- Humidité de l'air;

1 - Vitesse et sens de déplacement de l'air;

- Température des parois; ,

- Intensité et brillance de l'éclairage;

- Couleur des parois; 1

- Niveaux d'intensité du bruit en fonction des fréquences;

1 L'aspect général d'un local a une grande importance sur l'ambiance que l'on

peut y créer: par exemple certaines couleurs qu'elles soient dues à la teinte propre

des parois ou à celle que leur confère l'éclairage, créent des ambiances « chaudes»

1 ou des ambiances« froides». Les couleurs de grande longueur d'onde correspondent

en général aux premières (rouge et orange), celle de faible longueur d'onde aux

• secondes (bleu et vert). Par contre, la couleur rouge est moins reposante que la verte

• [1] .


•


Il ne faut surtout pas compter sur la couleur pour apporter une sensation de

chaud ou de froid mais prendre plutôt garde à l'impression de claustration que

peuvent donner certaines couleurs si elles se combinent à des dimensions ou à des

l

dispositions de salle peu agréable: on évitera par exemple de peindre en rouge les

parois déjà proches que cette couleur rapprocherait encore, à moins que l' on ne

veuille précisément créer un sentiment d'intimité.

Pour créer une installation parfaitement confortable il est donc nécessaire

d'examiner attentivement si tous les éléments entrant en ligne de compte ont bien été

étudiés en vue du confort.

Une fonction essentielle de nos habitations est de créer un climat intérieur bien

'1 adapté à nos besoins et à notre confort. Ceci se justifie pleinement puisque dans

1 certains pays les habitants passent jusqu'à 95 % de leur temps à l'intérieur de locaux

conditionnés.

, L'habitant place souvent (avec raison) son confort après les économies

1 d'énergie. Dans le but d'utiliser au mieux l'énergie à disposition dans les bâtiments il

convient donc de planifier la construction et les installations de façon à consommer le

!I moins possible d'énergie non renouvelable tout en assurant en confort convenable.

1 sur

On peut aussi définir le confort comme étant une sensation subjective fondée

un ensemble de stimulis. Le critère de confort est donc la satisfaction des

1

•

occupants. Une interprétation statistique peut être effectuée sur l'ensemble des avis

des habitants et dans le temps, en ce sens que les conditions de confort varient au

cours de l'année.

1

•

Indépendamment des conditions propres à l'individu (métabolisme, activité,

habillement), il est reconnu qu'une multitude de paramètres interviennent dans le

confort.

•

• PROJET DE FIN D'ETUDE - P. 1. MANE A. NDIAYE - G.E.M. E.S.P. THIES 2004 - 2005

59

•


Il Y a de plus une interaction certaine entre ces différents paramètres. Il est

donc difficile de cerner la notion très complexe de confort d'un point de vue

scientifique. On présente toutefois ci-dessous l'état actuel des travaux dans ce

domaine en traitant les notions nécessaires pour comprendre la notion de confort

thermique. Nous verrons aussi l'importance de l'aération, de l'éclairage et de

1 l'acoustique.

'1 A3 - 2 Conditions de confort

Nous avons pensé qu' il n'était pas sans intérêt de rappeler brièvement quels

1

1

ont été les différentes stades ayant pour but de chiffrer les valeurs limites des facteurs

influant sur le confort, notion essentiellement subjective, donc à priori extrêmement

difficile à saisir: l'évolution de ces recherches reflètent bien la complexité des

phénomènes qui interviennent.

J

Des recherches sur les conditions de confort sont en cours à ce jour dans de

nombreux pays et une multitude de publications traite de ce sujet.

1

1

Nous verrons plus loin, dans le chapitre consacré au bilan thermique que

l'organisme humain se comporte comme une machine thermique possédant une auto

régulation capable d'agir dans une certaine mesure sur sa production de chaleur liée

1

étroitement à son activité en particulier de différencier le mode de production en

chaleur sensible et en chaleur latente, et cela en fonction des possibilités du moment

• d'élimination de cette chaleur.

• Le problème des conditions de confort consiste à chercher l'ensemble des

conditions qu'il faut réunir pour que l'organisme se sente thermiquement

Il confortable: la première démarche a porté sur la recherche des caractéristiques

• permettant d'établir des équivalences.

Willis Harry CARRlER, instigateur et promoteur du conditionnement d'air

•

•

dans le monde avait pressenti dès le début de ce siècle, que l' homme pouvait se

trouver dans les conditions de confort extrêmement voisines, dans des ambiances

60 PROJET DE FIN D'ETUDE - P, 1. MANE - A. NDIAYE - G.E.M. E.S.P. THIES 2004 - 2005

1

~1

1

1

'1

1

•

•

•


présentant entre elles de nettes différences de température et d'humidité. Il avait

établi le système de correspondance suivant entre les ambiances dites d'égal confort :

si une sensation de bien être est ressentie dans l'ambiance caractérisée par une

température de 20 "C au thermomètre sec et au thermomètre mouillé, un confort

équivalent sera ressenti dans toute ambiance où le thermomètre sec marquera 20 + n

degrés à condition que le thermomètre humide marque 20 - n degrés [1] : nous

verrons que ces essais n'avaient de valeur que pour la sensation de passage d'une

ambiance à une autre.

Par la suite l' American Society Heating and Ventilating Engineers a effectué

des essais systématiques pour la détermination exacte de l'influence sur le confort de

la température sèche de l'humidité et de la vitesse de l'air.

Ces essais ont porté sur la capacité de travail dans différentes ambiances, et sur

la détermination des lignes d'égal confort: l'égalité de confort entre les ambiances

créées dans deux chambres, l'une chaude et sec, l'autre moins chaude mais humide,

était repérée d'après les réactions de plusieurs observateurs pour éliminer les

coefficients personnels.

II existe des courbes appelées courbes d'égales sensations de passage, donnant

les équivalences entre les ambiances en fonction des vitesses et des humidités [1 J.

Par exemple de l'air à 30 "C boule sèche et 20 "C boule humide se déplaçant à

un mètre par seconde créera des conditions de confort caractérisées par une

température effective de 24 "C, On remarque aussi qu'avec l'air immobile ayant la

même humidité de 40 % que l'air précédent il faudrait descendre à 28,5 "C boule

sèche et 19 ° boule humide pour avoir la même température effective de 24 "C, c'est

à-dire le même confort. Inversement, à de l'air immobile à 30 "C et 40 % d'humidité

correspondait une température effective de 25 "C, la vitesse de 1 mis a donc fait

gagner 1°C en température effective.

PROJET DE FIN D'ETUDE - P.1. MANE - A. NDIAYE - G.E.M. E.S.P. THIES 2004 - 2005 61


Il est à noter que le gain absolu de température effective dû à la vitesse de l'air

est plus important lorsque l'air est humide que lorsqu'il est sec, pour une même

l température sèche, mais qu'à égalité de vitesse de l'air il est naturellement plus

important lorsque l'air est plus sec.

l Enfin, si la température effective de l'air est supérieure à celle du corps, la

vitesse de l'air est néfaste et entraîne une augmentation de cette température'1

effective, ce phénomène est bien connu des marins naviguant dans le golfe Persique,

-1 lorsque la température dépasse 40 "C ils ne peuvent plus utiliser les ventilateurs de

cabine, qui leur « brûlent la figure ». 1

A3 - 2.1 Confort hygro-thermique 1

Comme il a déjà été mentionné, le confort est une sensation psycho

physiologique faisant intervenir plus d'un paramètre. Le confort thermique est

fonction des facteurs suivants:

1

'. Les facteurs d'ambiance:

- température de l'air et des surfaces environnantes,

vitesse relative de l'air,

- pression de vapeur d'eau ou humidité relative.

Les facteurs physiologiques:

activité et le rendement de cette activité,

• habillement.

taille, son poids etc. • Ainsi, contrairement à ce qui est généralement admis, il est erroné de vouloir

satisfaire ces critères de confort par une simple régulation de la température de l'air

intérieur de l'habitation. •

•

• 62 PROJET DE FIN D'ETUDE - P. 1. MANE - A. NDIAYE - G.E.M. E.S.P. THIES 2004 - 2005

•


Les divers paramètres ayant de l'importance pour le confort thermique 1

interagissent entre eux. La connaissance de leurs interrelations, de leurs effets sur la

1 satisfaction des occupants ainsi que leur mesure est nécessaire pour construire des

habitations satisfaisantes.

l Lors d'expériences qu'ils ont menés Fanger et ses collaborateurs [1], pUIS

1 plusieurs chercheurs dans de nombreux pays (notons que ces expériences ont été

menées dans des pays tempérés, nous avons présenté les résultats pour juste donné

'\ une idée des sensations à des températures différentes), ont soumis un grand nombre

de sujets à divers microclimats bien déterminés. Les sujets devaient exprimer leurs 1

sensations par un vote sur une échelle allant de - 3 à + 3, notons que ces valeurs ne

sont pas des températures:

- 3 très froid }1 Insatisfaits parce que trop froid - 2 froid

- 1 frais 1

oagréable, neutre

1 [légèrement chaud }

1 2 chaud

Votes satisfaisants

Insatisfaits parce que trop chaud 3 très chaud }

1

Les résultats ont montré que les votes, pour chacune des conditions, présentent

• une distribution gaussienne autour d'une moyenne. De plus, des facteurs tels que

l'âge, le sexe, la corpulence, l'origine, la race etc., ne modi fient pas le vote de façon 1

significative.

1

•

• 63 PROJET DE FIN D'ETUDE - P. 1. MANE - A. NDJA YE - G.E.M. E.S.P. THIES 2004 - 2005

CONCEPTION D'UN NOUVEAU SYSTEME DE CUMAT1SATION

l

A cause des différences physiologiques, il s'avère impossible de satisfaire tout l

le monde en réunissant des conditions « idéales ». Par contre, il est possible de créer

un environnement dans lequel le pourcentage de personnes satisfaites est maximal

(90%).

1 A3 - 4.2 Mesure du confort

L'échelle de vote est telle que le nombre de sujets insatisfaits est directement '1

lié au vote moyen d'une population donnée. On a ainsi deux paramètres permettant

de mesurer le confort thermique: l

le vote moyen prévisible, appelé PMV (Predicted Mean Vote), qUI est

l'appréciation moyenne d'une population dans un environnement donné pour

l un climat tempéré jusqu'à présent, sur l'échelle de - 3 à + 3. Le confort

optimal correspond à un PMV nul.

- Le pourcentage prévisible d'insatisfaits, appelé PPD (Predicted Percentage

1 of Dissatisfied) qui exprime la part des sujets insatisfaits dans une condition

donnée. La figure ci-dessous montre la relation entre le PPD est le PMV, qui

peut être calculée par:

PPD = 1-0,95exp(-O,003353PMV4 -O,2179PMV 2 ) (l.A3)

11

•

•

•

•

• 64 PROJET DE FIN D'ETUDE - P. 1. MANE - A. NDIAVE - G.E,M. E,S.P. THIES 2004 - 2005


Ainsi, avec un PMV nul, il reste 5 % d'insatisfaits. Ce nombre monte à 10 %

pour un PMV = + ou - 0,5 et 20 % pour un PMV = + ou - 0,84.

PPO

l 80%

60

40

30

20

JO

8

t

r-, <,r-,

-, 1'\

\ 1"-,

........ /

./

J /

/V

1

/ / ~

1

1 -2 -\ ,5 -1 -0,5 o +0,5 +1 +1,5 +2 PM\

t Figure 1.A3 : Relation entre le pourcentage d'insatisfaits (PPD) et le vote moyen (PMV) (ISO 7730)

1

1

•

•

•

A3 - 4.3 Tentatives de mise en équation des conditions de confort

On peut penser à juste titre que les sensations de confort sont à rattacher à la

notion de neutralité thermique atteinte quand l'organisme n'a plus à faire intervenir

des moyens de régulation contraignants pour ajuster sa production de chaleur interne

aux possibilités d'élimination calorifique qui lui sont offertes. C'est ainsi que

plusieurs auteurs ont établi des équations basées sur une telle égalité qui font entrer

en ligne de compte un nombre de facteurs plus ou moins grands suivant la finesse de

l'analyse effectuée.


-1

Î

l

1

1

'1

1

1

1

,

•

•


Nous pouvons supposer que pour une personne exposée à un environnement

thermique constant et modéré avec un métabolisme constant, il y aura un équilibre

thermique: c'est à dire que la quantité de chaleur produite sera égale à celle dissipée.

Il n'y aura ainsi pas une quantité de chaleur signifiante stockée dans le corps.

L'équation traduisant cet équilibre est:

(2.A3)

Où

H est la production interne de chaleur dans le corps;

Ediff les pertes latentes par diffusion de vapeur d'eau à travers la peau;

Er! les pertes respiratoires latentes;

Ers les pertes respiratoires sensibles;

Esw les pertes par évaporation de la sueur;

K la chaleur transmise par conduction de la peau à la surface externe du

vêtement;

R les pertes radiatives à partir de la surface externe du vêtement;

C les pertes convectives à partir de la surface externe du vêtement.


•


A4 - Climatisation artificielle

Etant donné la diversité des traitements que doit subir l'air, dans une

installation de conditionnement, et la très grande variété des types d'appareils

l pouvant assurer chacun de ces traitements, on conçoit que la diversité des

installations soit infinie. On ne peut établir que des classifications très générales,

faites en s'attachant plus particulièrement à certaines caractéristiques.

A4 - 1 Circuit air conditionné

Nous énumérerons pour mémoire la suite des traitements que l'air peut être

amené à subir dans une installation:

Filtration (filtres en papier, à tôles de choc huilées, à mat filtrant, etc.).

Réchauffage (échangeurs à vapeur, à eau chaude, électriques, etc.). , Humidification (pulvérisation d'eau, injection de vapeur, etc.).

Assèchement (refroidissement et réchauffage, absorption et refroidissement, 11

etc.).

Refroidissement (échangeurs à eau glacée, à détente directe, par détente

d'air, laveurs d'air adiabatiques ou polytropiques, etc.). .. Distribution d'air à l'état sous-saturé, saturé ou transsaturé.

La filtration et le refroidissement sont les principaux traitements qui entrent

en ligne de compte dans le cadre de notre projet. •

Il existe différentes sortes de circuits pour l'air conditionné, selon non pas

• l'ordre par lequel se font les différents traitements, mais les dispositions générales

que l'on peut adopter pour faire suivre à l'air ces traitements. Nous distinguons

ainsi les systèmes suivants:

PROJET DE FIN D'ETUDE - P.I. MANE - A. NDIAYE - G.E.M. E.S.P. THIES 2004 - 2005 67


10 Système sans reprise: (voir figure 7.A4), il correspond au circuit le plus

simple: après avoir été traité, l'air, entièrement pris à l'extérieur est pulsé dans le

local à conditionner: il est évacué de ce local soit par aspiration mécanique, soit l

par le simple fait que le local est mis en surpression par l'arrivée de l'air

l conditionné. Le plus souvent, l'air sortant du local, appelé air vicié, est rejeté à

l'atmosphère.

Cet air contient encore par rapport à l'air extérieur non traité, un nombre

appréciable de calories en période de froid, et de frigories en été. Dans les

installations utilisant ce système, le débit est généralement calculé de manière à

1 apporter par occupant une quantité relativement faible d'air: comme celui-ci est

entièrement pris à l'extérieur, donc neuf, on admet de descendre jusqu'à 25 m3/h à 1

40 m3/h par usager: ces chiffres très supérieurs aux besoins maxima de

l'organisme en oxygène, sont normalement encore supérieurs aux débits horaires

mmima d'air pur à envoyer pour qu'aucune odeur ne soit sensible dans la pièce

1 [1].

On peut donc songer à récupérer par un dispositif simple les frigories •

contenues dans cet air vicié, d'autant plus qu'en général ces frigories

correspondent plus à une siccité qu'à une basse température de cet air. En dehors

du cas où l'on s'en sert pour le refroidissement du condenseur de la machine

frigorifique, on préfère s'en servir pour la ventilation des locaux secondaires, tels

que vestiaires et toilettes attenant aux locaux principaux: on améliore ainsi le

confort des premiers et on diminue les déperditions des seconds. Une solution de

même ordre consiste à faire passer l'air vicié dans des doubles parois ménagées

entre les locaux conditionnés et des locaux voisins particulièrement chauds: en

particulier on peut faire circuler cet air sous la terrasse d'un bâtiments pour

éliminer une partie des calories dues au soleil.

1

Le système sans reprise est souvent adopté dans le cas de locaux à forte

occupation tels que salles de spectacles, restaurants, etc. Il a le grand avantage de


i


la simplicité et d'éliminer tout nsque de transmissions d'odeur et même de

maladie d'un local à l'autre par la ventilation.

Le système sans reprise est presque toujours utilisés avec les machines à

1 détente d'air, car l'économie qu'apporterait la reprise en vue du recyclage serait

insignifiante et ne justifierait pas les frais d'installation de gaines de reprises:

dans le cas de ces machines, le débit soufflé est, en général, très supérieur à 25

m3lb par usager [1].

'1

'c Figure 1.A4 : Système sans reprise

1 2° Système avec reprise et brassage: (Voir figure 2.A4), il arnve que

certaines conditions obligent à souffler un faible débit d'air très froid, et que d'une•

part, ce débit ne permette de créer un mouvement d'air même très faible dans le

) local et que d'autre part, on redoute de véhiculer dans les gaines de l'air trop froid.

On peut alors utiliser, pour pulser l'air dans la pièce un ventilateur aspirant l'air 1

venant de la centrale et un certain débit repris dans la pièce elle-même. Ce

système ne procure aucun gain de frigories ni de calories, l'air repris ne repassant •

pas dans un échangeur.

•

•

•

Figure 2.A4 : Reprise et brassage •


69


]0 Système avec reprise et recyclage: (Voir figure 3.A4), ce système est

classique en conditionnement d'air. Il consiste à faire circuler l'air en circuit fermé

entre la centrale et le local à conditionner, en envoyant toutefois dans le local le

débit minimum de 25 à 40 m3/h d'air neuf. Celui-ci est, en général, mélangé à l'air

de reprise avant le ventilateur de pulsion, plus rarement il est envoyé dans le local

par un ventilateur séparé. Une fois que le débit d'air extérieur a été fixé,

l'augmentation du débit de reprise recyclée n'a aucune influence sur la puissance

frigorifique à fournir par la machine, elle ne conduit qu'à une augmentation de

puissance du ventilateur: par conséquent elle accroît les dimensions des gaines et

des échangeurs. Cette augmentation al'avantage de diminuer la différence de

température entre l'air repris et l'air soufflé: elle permet donc de diminuer

l'épaisseur de l'isolant, qui doit par contre être posé sur des gaines de plus grande

surface. Elle rend surtout la régulation beaucoup plus facile et conduit à une bonne

homogénéisation des températures de l'air dans la totalité de l'enceinte

1 conditionnée.

l Figure 3.A4 : Reprise et recyclage

1 Il faut préciser que ce ne sont pas les seuls cas de figures existant, il y' en a

d'autres qui sont pour la plupart des variantes des schémas illustrés ci-dessus par :1

exemple:

..

•

1

Figure 4.A4 : Circuit fermé (exceptionnel) Figure 5.A4 : Reprise avec recyclage et rebrassag



Dans le cadre de notre projet nous aurons un système dans lequel la plus

grande partie de l'air qui sera traité par l'appareil vient de l'enceinte même tandis

que l'autre partie est l'apport d'air neuf venant de l'extérieur par l'intermédiaire

des bords non étanches des portes et les persiennes des fenêtres.

Ce qui nous amène à modéliser le fonctionnement de notre appareil au cas

décrit par la figure 3.A4 C'est-à-dire un système avec reprise et recyclage.

A4 - 2 Calcul théorique et détermination des différents paramètres

En conditionnement d'air les principaux paramètres à déterminer sont:

La puissance calorifique de l'installation; l

Le débit d'air à envoyer dans le local à climatiser.

1 A4 - 2.1 La puissance calorifique de l'installation

-: Pour déterminer cette puissance nous allons utiliser la feuille de calcul

sim plifiée qui n'a pas la prétention de conduire à des résultats rigoureux.

Cependant, elle permet, avec une assez bonne approximation, de fixer le choix du

matériel à installer. '1

Quel que soit le local à climatiser, on distingue toujours dans le calcul de

son bilan thermique (quantité totale de chaleur à neutraliser), les quatre grandes

classes suivantes:

• Apport de chaleur par transmission à travers les six parois du local,

1 fonction à la fois de la différence de température entre l'extérieur et

l'intérieur et du coefficient de transmission des parois; ce dernier variant

" avec la nature et l'épaisseur de la paroi.

• COl Apport de chaleur dû au rayonnement solaire; de nombreux facteurs

entrent dans le calcul de l'insolation.

• • Apport de chaleur intérieur, dû aux occupants, à l'éclairage, aux moteurs,

etc., qui se trouvent à l'intérieur du local. •


CONCEPTION D'UN NOUVEA U SYSTEME DE CLiMATISATlON

• Apport de chaleur dû au renouvellement d'air. On voit donc que seul le

volume d'un local ne saurait suffire à la détermination de son bilan

thermique.

Dans l'établissement de la feuille de calculs, compte a été tenu de tous les -1

facteurs énumérés plus haut. Ils ont été néanmoins présentés d'une telle façon que

les calculs à effectuer ne présentent aucune difficulté et soient rapides à faire.

Apport calorifique par transmission à travers les parois

Fenêtres ou portes:

Si l'une des surfaces vitrées est protégée du soleil par un bâtiment voisin, un

rideau, etc., elle sera considérée comme entrant dans la catégorie «non

ensoleillée ».11 serait à préciser que le cas de fenêtres exposées à l'insolation sans

aucune protection est à exclure, il entraîne en effet un bilan trop élevé.

Murs:

Considérés comme «ensoleillée », la même paroi qu'au paragraphe Cl

., dessus. Les parois intérieures mitoyennes à des locaux climatisés ne seront pas

prises en considération. '1

Plafond:

Une attention particulière doit être portée à cette partie. Plusieurs procédés

(isolation par liège aggloméré ou autre) permettent de se ramener au cas de

« plafond sous locaux ».

Plancher: 11

Lorsque le local à conditionner est situé à même le sol, les pénétrations par

le sol ne seront pas prises en considération puisque la température du sol est•

toujours voisines de 20 "C.



l \

Dégagements intérieurs -1

1 Occupants:

Le nombre d'occupants sera multiplié par le coefficient 120 [1]. Dans le cas -1

d'une activité importante des occupants, ce coefficient devra être majoré.

l Eclairage:

On ne doit tenir compte que de l'éclairage utilisé aux heures chaudes de la .\ journée.

Renouvellement d'air:

Pour éviter un calcul compliqué, nous avons indiqué un coefficient moyen à

appliquer par mètre cube d'air extérieur admis. Notons que les besoins d'air neuf

sont liés à la densité d'occupation.

3/heureDans les cas normaux, on prévoit 15 m environ par occupant.

L'infiltration naturelle est le plus souvent suffisante pour assurer ce

renouvellement.

Il est important de noter que les feuilles de calculs simplifiés sont établis

pour un écart de température de 6 à 7 "C entre l'extérieur et l'intérieur et pour des

coefficients de transmission moyens. Il va s'en dire que pour des températures

extérieures supérieures à 45 "C une étude minutieuse devra être faite.

a) Calcul des apports thermiques

" Nous présentons une méthode simplifiée de calcul permettant de déterminer

les apports calorifiques dans un local.

Les apports thermiques sont de trois ordres:

• Apports par transmission;

• Apports par rayonnement solaire;

• • Apports internes.

Cette méthode utilise la feuille de calcul simplifiée (voir tableau 1.A4). •

PROJET DE FIN D'ETUDE - P. 1.MANE - A. NDIA YE - G.E.M. E.S.P. THIES 2004 - 2005 73

.-. • • • • • iII â oili Mil ... .... ;;,J .-J ..:-i -.J ~ --.J ~ CONCEPTION D'UN NOUVEAU SYSTEME DE CLIMATISATION

1

Paroi :

désignation

exposition

II

dimensions de la paroi

Nombre et dimensions des

vitrages

III

Surface brute paroi

Surface Totale vitrage Surface

Nette paroi

IV

Kv

Km

V

.6.t des

tO

sèches

VI

Apport par transmission

III x IV x V (W)

III x IV x V (W)

VII VIII

gxAxlv=Rv

S xA x lm =Rm

IX Apport par

rayonnement Solaire

,

Est

Ouest

Nord

Sud

Plafond

Tableau 1 .A4 : Feuille de calcul simplifié



La démarche pour l'utilisation de cette feuille se présente comme suit: "

1

1. Apports par transmission: '1

Ceux ci seront calculés à l'aide des chiffres des colonnes III - IV - V, le

l produit de ces trois colonnes sera porté dans la colonne VI.

1 Exemple l.A4 : pour un mur de dimensions (4m x Sm) orienté vers l'Est

comportant deux vitrages de dimensions (lm x O,Sm).

Nous écrirons dans la colonne II :

Dimension de la paroi = (4m x Sm)

Nombre et dimensions des vitrages = (lm x O,Sm) x 2 '1

Dans la colonne III nous remplirons:

Surface brute paroi = 20 m2 = (4 x S) m2

Surface totale vitrage = 1 m2 = [(l x O,S) x 2] m2

Surface nette paroi = 20 - 1 = 19 m2

Dans la colonne IV on doit mettre les coefficients de transmission Km du

mur et Kv du vitrage qui dépendent du matériau du mur et du vitrage et sont

donnés par la formule;

1 e 1k=-+L-+- (l.A4)

«. Â ai

Où a est le coefficient d'échange superficielle, À la conductivité

thermique du mur ou du vitrage et e l'épaisseur de la paroi. Prenons par exemple ,.

Km = I,S et Kv = S.

,. Dans la colonne V nous mettrons la différence de température entre

l'ambiance interne du local et l'ambiance adjacente, la différence de température

• entre l'intérieur et l'extérieur du local sera plus importante qu'entre le local et

un autre local mitoyen. Prenons par exemple .0.t = 10°C. •

Dans la colonne VI nous mettrons:



Apport par transmission (vitrages) = III x IV x V = 1 x 5 x 10 = 50 W

Apport par transmission (mur) = III x IV x V = 19 x 1,5 x 10 = 285 W

l

l

Nous allons procéder ainsi pour toutes les parois du local et nous ferons la

somme des apports pour toutes les parois pour avoir l'apport total par

transmission.

2. Apports par rayonnement solaire:

l

1

Ils seront calculés à l'aide des chiffres des colonnes III - VIII, le produit

sera porté dans la colonne IX ;

Reprenons l'exemple précédent:

Dans la colonne III nous remplirons:

Surface brute paroi = 20 m2 = (4 x 5) m2

Surface totale vitrage = 1 m2 = [(1 x 0,5) x 2] m2

Surface nette paroi = 20 - 1 = 19 m2

Dans la colonne VIllon doit mettre Rv et Rm qui sont les quantités de

chaleur traversant respectivement le vitrage et le mur. Ils sont donnés par les

relations:

,

Où

Rv = g x A x Iv

Rm=SxAxIm

(2.A4)

(3.A4)

li

g: facteur de réduction (Voir tableau 2.A4). Il est fonction du mode de

protection de la fenêtre contre le rayonnement solaire.

•

•

PROJET DE FIN D'ETUDE - P. 1. MANE - A. NDlAYE - G.E.M. E.S.P. TH lES 2004 - 2005 76


"J Fenêtres protégées par

• Stores extérieurs en toile 1

• Stores extérieurs en toile l

• Stores intérieurs entièrement baissés

• Stores intérieurs à moitié baissés

-, • Persiennes entièrement baissées à l'intérieur des fenêtres

1

• Persiennes entièrement baissées à l'extérieur des fenêtres

1

gCouleur

ecru 0,28

aluminium 0,22

aluminium 0,45

blanc ou 0,68 crème

aluminium 0,58

aluminium 0,22

1

,

Tableau 2.A4 : Facteur de réduction g pour fenêtres protégées

Prenons par exemple stores intérieurs à moitié baissés nous aurons g = 0,68.

1

•

•

•

•

• PROJET DE FIN D'ETUDE - P. 1. MANE - A. NDiA YE - G.E.M. E.S.P. THIES 2004 - 2005

77


A: coefficient d'absorption de la paroi recevant le rayonnement. Il dépend de la couleur et de la nature du mur ou du vitrage selon le tableau suivant:

Couleur et nature de la surface A Surfaces très claires:

• Pierre blanche - surface blanche, 0,4 claire ou crème - ciment très clair

Surfaces foncées:

• Fibrociment - bois non peint pierre brune - brique rouge - 0,7 ciment foncé - staff rouge, vert ou gns

Surfaces très foncées:

• Toitures en ardoises foncées-carton bitumé très sombre 0,9

'1

Verre (fenêtre ou lanterneau) : 1,0• Vitrage simple 0,9• Vitrage double 0,8• Vitrage triple

Tableau 3.A4 : Coefficient d'absorption « A » pour murs, toits et fenêtres

Pour le mur considérons du fibrociment => A = 07, '1

Pour le vitrage considérons un vitrage simple => A = 1

1 (mur) : rayonnement solaire absorbé sur la surface du mur en W/m2• Il

dépend de l'orientation du mur et de l'heure pour laquelle le calcul a été effectué •

et, également de la latitude sous laquelle le local se trouve. L'heure d'apport

solaire maximal est déterminée à l'aide des figures d'orientation 6.A4 suivant et • du tableau 4.A4 :

•

-PROJET DE FIN D'ETUDE - P. 1. MANE - A. NDIAYE - G.E.M. E.S.P. THIES 2004 - 2005

78

l


N

NO NE o 1 a E

15 1 9 1 sa SE

7 27 3

, 13 5 11

S 1

1 17

1 23 27 19 1

1 21

1

Figure 6.A4 : Orientation types de locaux

1 En continuant jusqu'à présent avec l'exemple pour lequel nous avons

1 calculé les apports par transmission amenés par la paroi exposée à l'Est,

supposons que sa paroi Ouest est mitoyenne à une autre paroi et que toutes les

1 autres sont exposés au soleil (voir figure 7.A4 ci-dessous).

Nord 1

1 Ouest Local Est

1

Sud

1

Figure 7.A4 : Orientation du local de l'exemple l.A4

• En nous référant à la figure 6.A4 des orientations types de locaux nous

• voyons que nous sommes dans le cas de figure numéro 19. Le tableau suivant

permet d'avoir l'heure ou le besoin de climatisation est maximal:

• PROJET DE FIN D'ETUDE - P. 1. MANE - A. ND lAYE - G.E.M. E.S.P. THIES 2004 - 2005

79


'1 Orientation Murs exposés HEURESNombre des locaux de murs Fenêtres protégées Fenêtres

exposés nues a b 3 b

1 N 14 14 1 2 NE 14 14

3 E 12 12 9 9 "1 4 1 SE 13 13 10 10

5 S 14 13 13 13 6 SO 15 14 16 15 7 0 15 15 16 16 8 NO 16 15 17 16 , 9 NE 14 14 9 9 10 NE-SE 14 13 9 9 Il SE 14 13 10 10, 12 2 SE-SO 15 14 15 15 13 SO 15 14 15 15 14 SO-NO 15 15 16 16 15 ON 15 15 16 16 16 16 15 17 17

NO-NE

17 O-N-E 16 15 16 16 18 NO-NE-SE 15 15 16 16 19 N-E-S 14 14 10 10 20 3 NE-SE-SO 15 14 15 15 21 15 14 15 15

E-S-O22 15 15 16 16 23 SE-SO-NO 15 15 16 16 24 16 15 16 16

S-O-N • SO-NO-NE

25 4 S-O-N-E 15 14 15 15 • 26 SO - NO-NE - SE 15 14 16 16

27 14 14 Néant

• a : avec local au dessus b : avec toit ou comble non ventilés au dessus

• Tableau 4.A4 : Heures où le besoin de climatisation est maximal dans

les locaux ayant différentes orientations

PROJET DE FIN D'ETUDE - P. 1.MANE - A. NDIAYE - G.E.M. E.S.P. THIES 2004 - 2005 80


Pour l'exemple nous entrons dans le tableau 4.A4 précédent par le nombre

correspondant à l'orientation du local qui est de 19. Nous lisons ainsi:

nombre de murs exposés: 3 ;

- murs exposés: N - E - S ; 1

- considérons des fenêtres protégées avec local au dessus (a) ;

'1 l'heure où le besoin en climatisation est maximal est 14 heures.

La valeur de I (mur) est donné dans les tableaux 2 des annexes, dans la l

colonne ID en fonction de :

1 • La latitude;

• L'orientation du mur;

• L'heure.

Supposons que le local pris dans l'exemple soit à une latitude de 10°, pour

le mur orienté à l'Est et avec l'heure où le besoin en climatisation est maximal !I

qui est 14 heures.

'1 Nous avons ainsi I (mur) = 380 W/m 2

I (vitr.) : intensité du rayonnement solaire en W/m2• Elle est définie de la

même manière que I (mur), et, est donnée par le même tableau dans la colonne v

(voir tableau 2 annexes) mais il faut au préalable définir l'heure d'apport solaire• maximal à l'aide des figures 6.A4 et du tableau 4.A4.

Nous avons donc I (vitr.) = 295 W/m 2

Remarques:

Les vitrages comme les murs transmettent une certaine quantité de chaleur • vers l'extérieur par rayonnement et convection. Les tableaux I (vitr.) et I (mur)

• tiennent compte de ce phénomène. C'est la raison pour laquelle les valeurs I

(vitr.) sont inférieures à celle de I (mur). •


81


S : facteur du rayonnement indiquant la part de chaleur absorbée par la

surface et transmise à travers le mur du local. La figure 8.A4 suivante donne les

valeurs de S en fonction du coefficient de transmission k qui es défini comme

l'inverse de la résistance thermique de la paroi (k = _1_+ I~+_l ), avec a et À l a c À a,

étant respectivement le coefficient d'échange superficielle de la paroi et la '1

conductivité thermique de celle-ci.

s'1

1 0.20

0.15't

0.101

0.05 1

, ko 42 3

Figure 8.A4 : Coefficient de rayonnement solaire S en fonction du coefficient de • transmission k.

1 Pour notre exemple on Km = 1,5 et nous lisons sur la courbe de la figure

8.A4 une valeur de S = 0,075 1

Nous aurons en définitive:

• R (vitr.) : quantité de chaleur traversant le vitrage. Elle est donnée par le

produit:•

Rv = g x A x Iv

• Rv = °,68 x 1 x 295 => Rv = 200,6 W/m2

R (mur) : quantité de chaleur traversant le mur. Elle est donnée par le

produit:


1


l

Rm = S xAxIm '1

1 Rm = 0,075 x 0,7 x 380 => Rm = 19,95 W/m 2

~I Après avoir calculé Rv et Rm on calcule le produit III x VIII que l'on

porte à la colonne IX. '1

3. Apports internes:

C'est l'apport de chaleur (latente et sensible) des éléments au sein même "' du local, ils peuvent être des appareils électriques des occupants etc.

l

Les puissances à installer par local seront valables pour l'heure où la

charge thermique est maximale; la puissance totale installée sera la somme des

puissances partielles à la même heure pour tous les locaux. :1

Le calcul du bilan thermique à l'aide de la feuille de calcul simplifiée est

présenté dans les pages suivantes. 1

1

1

,

1



l

1

l

, l

1

,

!BILAN THERMIQUE DU LOCAIJ

Nous choisissons de faire le calcul pour un local avec les considérations suivantes:

- L = 4m ; 1 = 3,5m; h = 3,50 m (voir figure N° 9.A2);

se trouvant à Tambacounda (étant la région sénégalaise présentant l'une

des plus hautes températures dans l'année) ;

- Cette température (de 40 OC) est enregistrée ente mai et juin à 15 h ;

- Orientation du local Nord Sud;

- L'entrée du local donne dans un couloir;

- dimensions porte: 2 m x 0,9 m ;

- Les parois Ouest et Sud donnent à l'extérieur;

1

1

- Les parois du plafond et de l'Est sont mitoyennes respectivement à un

local en étage et à un autre local;

- Fenêtres du sud munies de vitrages simples 1,5 m x 1 m (a, = 7 W/m2.K ;

a e = 20 W/m2.K ; À = 0,52 W/m.K); menuiserie bois [Il] ;

- Parois avec une construction légère;

Brique d'épaisseur = 20 cm ; enduit de ciment de part et d'autre des parois

avec une épaisseur de 2 cm ( a, = 7 W/m2.K; a e = 20 W/m2.K ; À = 0,81

W/m.K) ;

Plafond considéré avec un carrelage d'épaisseur = 5 cm ;

En prenant en compte le dégagement de chaleur du ventilateur de notre

appareil et d'éventuels imprévus sur les charges, nous majorerons la

charge totale de 3 %.


,1


'1 Nous avons ainsi:

Local:

Destination : Habitation

1

Situation: Latitude: 13,48° Nord; Longitude: 13.48° Ouest;

Dimensions: L = 4m ; 1= 3,5m; h = 3,50 m ;

, 1

1

,

1

1

,

1

Air

Air extérieur

Air du local

Conditions:

TO sèche

40 -c

30 -c

TO humide

34 -c

22 -c

Humidité relative

Humidité absolue

Enthalpie

65 % 31,5 glkg 29 kcallkg

50% 13,5 g/kg 15,5 kcallkg

Tableau 5.A4 : Conditions extérieures et intérieures

Débit de fuites: 3 % (renouvellement d'air) = 1,62 m3Jh

~T= 10

Renouvellement d'air: 18 x 3 = 54 m3 F~t

Nord

1 ....

•

•

3,5 m

1,5m

~

Sud

• 3,5m / Ouest

lm

•

• Figure 9.A4 : Orientation du local à climatiser

PROJET DE FIN D'ETUDE - P. 1. MANE - A. NDIAYE - G.E.M. KS,P. THI ES 2004 - 2005 85

• • • • .. .. - - - .... - .... ..... ..... ~ -J --' ~ CONCEPTION D'UN NOUVEAU SYSTEME DE CLIMATISATION

II III IV V VI VII VIII IX Apport par

dimension de la Surface Apport par rayonnement Paroi: paroi brute paroi L1t des transmission Solaire

Nombre et Surface dimension des Totale tO III x IV x V

désignation vitrages vitrage Kv sèches (W) gxAxlv=Rv Surface III x IV x V

exposition Nette paroi Km (W) S x A x lm = Rm 3,5 x 3,5 12,25

Est 5°C 12,25 1,6 98

3,5 x 3,5 12,25

1 Ouest 10 -c 12,25 1,6 224 0,10 x 0,7 x 500 35 490

4 x 3,5 14 Nord 5°C

14 1,6 112 4 x 3,5 14

Sud 1,5 x 1 1,5 5 10°C 75 0,22 x 1 x 70 15,4 23,1 12,5 1,6 200 0,10 x 0,7 x 130 9,1 113,75

3,5 x 4 20 Plafond 5°C

20 2,03 142,1 851,1 626,85

1

Tableau 6.A4 : Feuille de calcul simplifié



Nous avons ainsi:

Les apports en chaleur sensible:

- Apport total par transmission (somme colonne VI) : 851,1 W

- Apport total par rayonnement solaire (somme colonne IX) : 626,85 W

- Occupants (3 pers. x 67,5 W/pers.) : 202,5 W

1 - Appareils électriques (1 lampe de 18 W) : 18W

- Sources diverses (1 ordinateur) : 75W 1

- Renouvellement d'air [(tH = la) x 54 m3/h x 0,33] : 178,2 W

, Charge calorifique sensible totale = 1951,65 W

1

1 Les apports en chaleur latente:

- Occupants (3 pers. x 63,5 W/pers.) : 190,5 W 1

- Renouvellement d'air [(tlrv = 10) x 54 m3/h x 1,2 x 0,7] : 453,6 W

1

Charge calorifique latente totale = 644,1 W 1

• Avec une majoration de 3 0/0, nous avons:

• CHARGE CALORIFIQUE TOTALE = 2674 W

1

1

1


87


l

A4 - 2.2 Le débit d'air à envoyer dans le local à climatiser '1 1

Les éléments entrant en ligne de compte pour la détermination du débit

d'air à adopter dans une installation sont les suivants:

1° le débit minimum d'air neuf à souffler par occupant pour éviter toute l odeur décelant la présence d'individus est de 17 m31h, mais on devra s'efforcer

3/hde toujours souffler au moins 25 m d'air neuf. Le nombre maximum

d'occupants à envisager dans un local donne donc une indication précise sur le l

débit minimum acceptable.

l L'appareil à mettre sur point est prévu pour des locaux contenant au

maximum trois personnes par conséquent l'effet du faible renouvellement d'air 1

entraînant des mauvaises odeur sera très faible.

1 2° Le nombre de calories et de gramme d'eau à apporter ou à enlever,

compte des températures de soufflage que l'on veut adopter. 1

3° La vitesse du déplacement général de l'air dans le local pour qu'il n'y

ait ni un courant d'air trop violent ni une absence de déplacement d'air donnant

une impression de renfermé.

4° La précision avec laquelle on veut ces apports, et avec laquelle on veut

maintenir les conditions intérieures. En effet, plus le débit sera important moins

les différences de calories ou de grammes d'eau rapportées au kilogramme d'air

seront importantes donc moins les variations de la température intérieure seront

amples. Les installations à fort renouvellement seront donc les plus faciles à

régler à condition naturellement que l'on dispose d'appareils efficaces pour le

contrôle de la température et de l'état hygrométrique de l'air à sa sortie des

appareils de conditionnement.

PROJET DE FIN D'ETUDE - P. 1.MANE - A. NDIAYE - G.E.M. E.S.P. THIES 2004 - 2005 88


l

On peut employer la méthode suivante pour déterminer rapidement le

débit et les caractéristiques de l'air à souffler, connaissant l'ambiance à

maintenir dans notre local (Voir figure lO.A4 de la page suivante) : l

1 Température sèche:

1

1

Ambiance du local

Humidité relative:

Humidité absolue:

Enthalpie:

30 -c

50 0/ 0

13,5 g/kg

15,5 kcal/kg

Soit A le point représentatif de l'ambiance du local dans le diagramme

psychométrique de la figure 10.A4 suivante, Notons que cette figure n'est

qu'une représentation schématique de la méthode.

Soit P la quantité horaire d'eau apportée par les occupants en une heure,

en supposant que ceux-ci sont assis, effectuent un travail léger ou sont debout au

repos le tableau 3 (Annexes) nous donne la valeur de dégagement individuel

d'eau qui à la température sèche de 30 "C est de 122 grammes/personne, avec le

nombre d'occupant de trois nous avons:

P = 3 x 122 = 366 g d'eau /heure

• PROJET DE FIN D'ETUDE - P. 1. MANE - A. NDIA YE - G.E.M. E.S.P. THIES 2004 - 2005

i

89

----

------


~1

P/Q (g d'eau/kcal)

'1 h (kcal/kg) 15 14 13 12 Il 10 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0

e = 100%

50%

251 Faisceaux des pentes d'échauffement

1 25

20

:1

:1 15

15 A (30 0 50%)

1 B (18 0 100%)

10 \1 0%

Il

5

o• Ts

o 5 10 15 20 25 30 35 40•

Figure lO.A4: Détermination graphique du débit d'air à souffler •

Soit Q la quantité de chaleur dégagée dans le local en tenant compte de •

tous les apports de chaleur possible dans l'enceinte, cette valeur a été

déterminée plus haut:•

• 90 PROJET DE FIN D'ETUDE - P. l. MANE - A. NDlAYE - G.E.M. E.S.P. THlES 2004 - 2005

•


Nous avons donc Q = 2674 W = 2305 kcal/h

Calculons le rapport P qui est égale à 0,16 g d'eau / kCal Q

C'est cette valeur de !..- qui donne la pente de la droite à mener à partir du point Q

A. Sur le haut et à gauche de la figure sont donnés des segments de droites

" correspondant au pentes possibles, on aura ainsi qu'à tracer la parallèle à une

droite pour avoir la pente liée à P • Q

La partie de la droite comprise entre le point A et son point de rencontre

avec la courbe de saturation est le lieu des points figuratifs des caractéristiques

des différentes sortes d'air que l'on peut souffler dans le local pour obtenir '1

l'ambiance A désirée. Notons B le point situé sur cette droite et la courbe de

saturation. Si on assurait le conditionnement en soufflant de l'air saturé le débit

d'air à traiter et envoyé donné en kilogrammes par heure serait donné par le

quotient:

Avec B ayant les caractéristiques suivantes:

B (TsB = 18 "C <PB = 100 % hB = 12,2 kcal/kg WB = 13 g/kg)

DB (kg/h) =

• Avec

•

•

Q (kcal/h) (4.A4)

Enthalpie de A - enthalpie de B

Q (kcal/h) = 2305 kcal/h

hA = 15,5 kcal/kg

hB = 12,2 kcal/kg

•

•

On a ainsi DB le débit d'air dans les conditions du point

souffler qui est de 700 kg/h :

PROJET DE FIN D'ETUDE - P. 1. MANE- A. NDJAYE - G.E.M. E.S.P. THIES

B qu'il faut

2004 - 2005 91

-

:1


C'est le débit d'un air dans les conditions de B qu'on doit souffler dans

le local et il sera très déterminant dans le dimensionnement de nombreux

éléments (tels que le ventilateur, les serpentins etc.) de notre appareil.

1 Mais on pourra souffler un air moins froid par exemple celui représenté

par le point M mais dans ce cas le débit à injecter sera naturellement plus

, important

A4 - 3 Bilan thermique de l'appareil

Après avoir déterminé la charge thermique et le débit d'air traité à

1 envoyer pour créer l'ambiance désiré au niveau du local que nous avons choisi,

;1 nous allons à présent étudier de plus près tous les transferts de chaleur qui se

feront au niveau de l'appareil, pour cela matérialisons l'appareil à la figure

Il.A4 et schématisons toutes les formes d'échanges de chaleur qui

interviennent:

1 - Pour avoir un schéma clair nous n'avons représenté, de l'appareil, que

1 les dispositifs essentiels.

- Notons Te la température du bain d'eau glacée qui, au tout début du

processus c'est-à-dire au moment où on introduit la glace dans le bain est

1 égale à celle de l'eau avant l'introduction de la glace mais après un certain

temps (peu important) la température Te devient égale à celle de la glace

1 fondante c'est-à-dire 0 "C. Tant qu'il y a de la glace dans le bain cette

• température reste à 0 "C, à l'instant où le dernier grain de glace a fondu

cette température se met à augmenter mais nous allons fixer la

11 température d'échauffement limite de l'eau à 15 "C.

Notons Tso la température de la surface extérieure de la partie du

•

• -

serpentin baignant dans l'eau elle évoluera comme la température de l'eau

donc Tso ;::::: Te.

Notons Tsi la température de la surface intérieure du serpentin.

• PROJET DE FIN D'ETUDE - P. 1. MANE A. NDIAYE - G.E.M. E.S.P. THIES 2004 - 2005

92

•


- Notons Tair la température de l'air dans le serpentin: cette température

diminue suivant l'axe X représenté sur le schéma, pour les calculs nous

considérerons un intervalle élémentaire de longueur où Tair est constante

elle augmente dans le temps à partir du moment où la température du

l bain se met à augmenter.

, Les échanges de chaleur s'opèrent comme suit:

A4 - 3.1 Convection l

La quantité de chaleur q amenée par l'air est évacuée en premier lieu par

1 convection entre la surface interne du serpentin et l'air en mouvement nous

, avons ainsi :

q (x) = h Ae [Tair(x) - Tsi] qenW (5.A4) 1

Avec 1

q (x) quantité de chaleur échangée sur une longueur élémentaire où

Tair est supposée constante

h : coefficient de convection de la paroi interne avec l'air

1

1

•

•

•

•

•

• 93 PROJET DE FIN D'ETUDE - P. I. MANE - A. NDIA YE - G.E.M. E.S.P. THIES 2004 - 2005

',-~

iii ... ioil .ai ;.J .i,;;;J .... Mi.! -.i ~• • • • • • • CONCEPTION D'UN NOUVEAU SYSTEME DE CLIMATISATION

Enveloppe extérieure

Ventilateur

/ Isolation

..... r--------------------------~-------------------------------------~

r 1 1 1 1

r 1 1 Glace

1 1

..... i / -. Tair: r 1 /' ~ __ \ 1

1 1

r

..... 1 r 1

1 1

r 1 1 1.....

r 1 1

1

r 1 1

Te 1 . . _ .

..... r : ~-..::: ~--=~ =.-..::::.-..::: ~-=~ =.-..::: :.-.=.:-=-..:::7..::: :.-..::: ~--= -..::::.-..::::.-~:.-.: :.-.:::.:.:::.--= :.-.::.-L-.: :.-.:::.:.-.: :.-.: :.-.::.-.:.-.::'_l

~- Convergent Serpentin x Bain d'eau glacée r

Figure Il.A4 : Echanges de chaleur au niveau de l'appareil


l


Ae : surface élémentaire d'échange entre l'air et la paroi interne

Tair(x) : température de l'air dans le serpentin supposée constante à

une abscisse x

Tsi : température de la paroi interne du serpentin

Pour déterminer h nous allons utiliser la formule suivante:

, h = ANu (6.A4)

D l Avec

À : Coefficient de conduction de l'interface air-paroi en W/m2.K ; l

Nu : Nombre de Nusselt ;

'1 D : Diamètre intérieur du serpentin en m.

l Par ailleurs pour les écoulements de gaz dans les tubes en régime laminaire

[5] on a :

Nu =366+ O,104RePr(D/ L) Pour RePr(d / L) < 100 (7.A4)

·t , 1+ O,016(Re Pr D / L)O,8

Mais si on a RePr(d / L) > 100 on applique les résultats de la couche 1

laminaire sur plaque plane.

En régime turbulent on a :

Nu = 0,023Pr1/3 Rdo,8 (8.A4)1

Avec•

Re : nombre de Reynolds de l'écoulement;

.. Pr: nombre de Prandtl qui est pris égal à 0,7087 pour l'air;

L : nous considérerons la longueur courbe de serpentin où s'effectuent ..

les échanges entre l'air et l'eau en m.

..

.. 95

PROJET DE FIN D'ETUDE - P. 1. MANE - A. NDiAYE - G.E.M. E.S.P. THIES 2004 - 2005

•

-1


Le nombre de Reynolds est donné par la formule:

-1 Re= UpD f.-L

(9.A4)

l Avec

U : Vitesse de l'air en mis ;

p : Masse volumique de l'air en kg/rrr';

l

l

fi : Viscosité dynamique de l'air en kg/m.s.

Nous ne pourrons entamer toute procédure de calcul sans nous fixer des

caractéristiques et dimensions pour notre appareil, ceux-ci pourraient être

augmentées, revues à la baisse ou gardées en fonction des résultats obtenus.

1

Sachant que la masse volumique et la viscosité de l'air dépendent de la

température, nous allons prendre la température moyenne située entre la

température de l'air admis dans l'appareil et celle qui doit être soufflé pour

avoir l'ambiance désirée:

1 Ainsi la température moyenne de l'air notée Tm (air) qui est égale à (30

1 +18)/2 ce qui donne Tm (air) = 24 "C sur les tables des caractéristiques de l'air

en fonction de la température nous lisons:

1 - p = 1,177 kg/rrr'

1 - fi = 1,85 10-5 kg/m.s

- 1 = 0,0262 W/m.K

1 - Cp = 1006 J/kg.K

• - La vitesse dépendra du débit et de la section du serpentin. Le débit dans un

serpentin noté Qs est obtenu, en supposant les pertes négligeables, en

• divisant le débit total par le nombre de serpentins que nous prenons pour

• l'instant égal à 23 :


•


Ainsi Qs = D _8 donc Qs = 23

700 -23

= 30,43 kg/h (l0.A4)

En convertissant cette valeur en rrr'/s nous avons Qs = 0,0072 rrr'/s

l Avec un diamètre interne des serpentins égal à 22 mm

Nous avons ainsi U = 4Q~ JrD

donc U = 4 x 0.0072 JrX (22.10-3)2

(ll.AA)

donc

l U = 18,68 mis

l

Cette vitesse est trop élevée elle devra être abaissée pour éviter tout risque

de sifflement dans les serpentins [6]. Procédons alors par itération sur la vitesse

de l'écoulement, le nombre de serpentins et le diamètre de ceux-ci pour aboutir

aux paramètres Optimaux, avec comme contraintes:

1

1

1

1

•

Il

la vitesse est limitée par le niveau sonore acceptable car une trop grande

vitesse risquerait de créer des sifflements au niveau des serpentins.

- Le nombre de serpentins est limité par les contraintes d'encombrement et

de fabrication, un trop grand nombre de serpentins impliquerait un appareil

de dimensions trop grandes et une fabrication complexe.

- Le diamètre est limité par l'encombrement, la facilité de l'écoulement et la

qualité des échanges thermiques entre l'air et le bain d'eau glacée. Un

trop petit diamètre provoquerait des écoulements difficiles avec des pertes

de charges élevées et même des risques de sifflement, Alors qu'un trop

grand diamètre réduirait la quantité de chaleur échangée entre l'air et le

bain d'eau glacée.

•

• 97 PROJET DE FIN D'ETUDE - P. 1. MANE-A. NDIAYE - G.E.M. E.S.P. THIES 2004 - 2005

•


Nous allons ainsi choisir une vitesse adéquate et remonter pour voir les

modifications à apporter au niveau des dimensions des composants de l'appareil.

"1 En prenant la vitesse normalisée de 10 mis [6] et en gardant le diamètre des

serpentins à 22 mm nous avons une augmentation du nombre de serpentins de 23

l à la valeur à déterminer ci-dessous :

1 On sait que Qs = DB Ns

=> Ns = DB Qs

avec Ns étant le nombre de

Î serpentins

1 Or Qs - 7lD 2U 4

=> Qs = 7!xO.022 2

xl0 4

=> Qs = 0.004 m3/s

'1 En convertissant cette valeur en kg/h on a Qs = 17,12 kg/h

1 Ainsi Ns = 700

17,12 => Ns = 41 serpentins

il Ce nombre de serpentins est trop élevé pour des soucis d'encombrement

nous allons pour l'instant garder le nombre de serpentins à 23 et porter des

modifications sur le diamètre des serpentins:

1

On sait que D = (

4 J(1/2)7!~ pour la même vitesse de 10 mis

•

• Nous avons un diamètre de D = ( 4 00072)(1/2) x., 7! x l 0

=> D=30 mm

et •

Ns = 23 serpentins

•


98


1

Ces valeurs de diamètre et de nombre de serpentins résistent à plusieurs 'l

des contraintes citées plus haut donc pour la suite c'est ce diamètre et ce nombre

1a de serpentins que l'on va considérer dans les calculs.

En revenant à l'équation (9.A4) on a :

Re= UpD Re =10x1,188xO,03 => => Re =19396

'1 fi 1,8375.10-5

Re < 5.105 on a donc un régime laminaire

Pour le nombre de Nusselt calculons d'abord RePr(d / L), avec L = 691,2

mm:

1 RePr(d / L) = 19396 x 0,7087 x (0,03/0,691) = 582 > 100 (12.A4)

1 Nous appliquerons donc les résultats de la couche laminaire sur plaque

plane amsi :

Rel / 2 1/2 Nu = 0,828Pr1/ 3 => Nu = °,828 x °,7ü8i ' 3

X 19396 (13.A4)

=> Nu = 102,81

Nous avons finalement pour le coefficient de convection h avec l'équation

(6.A4) :

h = 0,0262 xl 02,811 h = ÂNu D

=> 0,03

• => h = 89,1 W/m 2.K

• En réécrivant l'expression de la quantité de chaleur échangée par

convection entre l'air et le bain d'eau glacée (équation 5.A4) on a : •

q (x) = h Ac (Tair(x) - Tsi)•

• 99 PROJET DE FIN D'ETUDE - P. l. MANE - A. NDiAYE - G.E.M. E.S.P. THlES 2004 - 2005

CONCEPTION D'UN NOUVEAU SYSTEME DE CLIMATISATION l,

i 1

La surface élémentaire d'échange A en m2 est donnée par le produit de la

circonférence interne du serpentin par la longueur élémentaire d'échange. Donc

la quantité de chaleur amenée par l'air et évacuée par convection s'écrit:

q (x) = 89,1 Ae [Tair(x) - Tsi] ( 14.A4)

C'est cette équation qui va nous permettre de déterminer la température de

sortie de l'air de l'appareil.

Tair étant la température de l'air dans le serpentin: cette température

diminue suivant l'axe X représenté sur le schéma, elle augmente dans le temps à

partir du moment où la température du bain se met à augmenter.

A4 - 3.2 Conduction

, La quantité de chaleur évacuée par convection s'écoule ensuite par

conduction à travers la paroi du serpentin, on peut donc écrire l'équation de la

conduction au travers de la paroi d'un cylindre:

"1 Avec:

q = 2JrLÂ Ti Te

reLog-.

ri

(15.A4)

..

•

•

L la longueur du cylindre en m

À le coefficient de conduction du cylindre en W/m.K

Ti la température interne du cylindre en K

Te la température externe du cylindre en K

re le rayon externe du cylindre en m

ri le rayon interne du cylindre en m

•

-PROJET DE FIN D'ETUDE - P. 1. MANE - A. NDlAYE - G.E.M. E.S.P. THIES 2004 - 2005

100


En assimilant sur une petite portion notre serpentin à un cylindre droit

l'équation (15.A4) donne:

:1 :,1 _

q 27[LÀ

S

Tsi - Tso re

Log-. ri

(l6.A4)

, Avec:

Tso étant la température de la surface externe du serpentin baignant

-:1 dans l'eau Tso = Te.

Tsi la température de la surface interne du serpentin

L la longueur d'échange

1 Às le coefficient de conduction du serpentin qui est en cuivre

(Às = 389 W/m.K)

re le rayon externe du serpentin (re = 0,016 m)

!I

ri le rayon interne du serpentin (ri = 0,015 m)

• L'équation (16.A4) devient:

q= 2x7[xO,691x389x Tsi - Tso

0016 donc 1

1

q =

• avec q en W.

1

•

•

•

Log-'0,015

26170 (Tsi - Tso) (17.A4)

• PROJET DE FIN D'ETUDE - P. I. MANE - A. NDIAYE - G.E.M. E.S.P. THIES 2004 - 2005

•

101

CONCEPTION D'UN NOUVEAU SYSTEME DE CLIMATISATION 1

A4 - 3.3 Quantité de chaleur reçue par le bain d'eau glacée 1

Pour la détermination de cette quantité de chaleur nous allons identifier 1

deux phases: la première s'étend de l'instant où la température du mélange eau

, glace s'est uniformisé à 0 "C jusqu'à la fonte totale de la glace et la deuxième

débute au moment où la température de l'eau commence à s'élever jusqu'à la

1 valeur de 15 "C.

i ère phase: fusion de la glace 1

Au niveau de l'appareil nous avons une charge de 2 sachets de glace. 1

Après quelques investigations au près de vendeurs de glace nous avons constaté

1 que la masse moyenne des sachets de glace vendus dans le commerce à 50 F

CFA était de 2 kg. C'est ainsi que nous avons dans notre appareil une charge

totale de 2 x 2 kg = 4 kg de glace.

1 La quantité de chaleur nécessaire pour faire fondre cette masse de glace

est de :

1 Qf= mg r., (18.A4)

, Avec:

mg étant la masse totale de glace 1

Lr la chaleur latente de fusion de la glace (L, = 334 kJ/kg)

• On a ainsi

Qf=4 x334 => Qf = 1336 kJ •

1

•

•


•

102

CONCEPTION D'UN NOUVEAU SYSTEME DE CLIMATISATION l

2ème phase: élévation de la température de l'eau jusqu'à 15 "C

Au niveau du bac contenant le mélange (eau + glace) il a été prévu des

1 trop pleins pour limiter le volume d'eau présent dans le bac et il s'élève à 9,7

litres. Nous aurons la chaleur sensible mise en jeu dans l'élévation de la l

température de 0 à 15 "C :

Qsens. = meCe (15 - 0) (19.A4)1

Avec: l

me masse d'eau dans le bac (me = 9,7 kg)

l Ce chaleur massique de l'eau (Ce = 4,185 kJ/kg)

(15 - 0) différence de température

1 En passant à l'application numérique on a :

Qsens. = 9,7 x 4,185 x (15 - 0) => Qsens. = 609 kJ

1 Donc la chaleur totale Q théoriquement reçue par l'eau pendant toute la

1

durée de fonctionnement est de :

Qtot. = Qf + Qsens. > Qtot = 1336 + 609

1 donc

•

•

•

,.

..

(20.A4)

Qtot.= 1945 kJ


..

103


1 A4 - 4 Estimation de la durée de la charge

1 La durée de la charge dépend du débit d'air qui traverse l'appareil, des

1 conditions dans lesquelles cet air est admis dans l'appareil et de la qualité des

échanges qui s'opèrent au niveau du bain d'eau glacée de l'appareil c'est ainsi

que nous pouvons écrire que :

1 ~(h - h )= Qtot.

admission refoulement j).( (21.A4)

l

1 Avec: . m étant le débit traversant l'appareil en kg/s calculé plus haut, il est de

700 kg/h = 0,194 kg/s ;

1 hadmission étant l'enthalpie de l'air à son admission dans l'appareil en kl/kg,

à 30 "C et 50 % d'humidité relative on a hadmi.uion = 64,87 kJlkg ;

hre/oulemenl' l'enthalpie de l'air soufflé dans la chambre par l'appareil en

1 kJ/kg, à 18 % et 100 % d'humidité relative on a hre/ou'emen, = 51 kJ/kg;

Q la quantité théorique totale de chaleur prise par la charge en kJ ;

ôt(lhëorique} la durée de la charge en seconde.

1

La formule 21.A4 nous donne l'expression de Ôt

• ~t= 1945=> (22.A4)

(0,194 x (64,87 - 51))•

• donc ~t :::; 742 secondes

• ~t :::; 13 minutes

lE


•

104


i

Notons que ce temps est celui nécessaire à l'appareil pour consommer la

charge de glace, mais après cela l'ambiance sera maintenue dans le local par une

circulation de l'air à l'aide du ventilateur.

A4 - 5 Estimation de la température effective de sortie de l'air de1

l'appareil

Nous savons que la quantité de chaleur échangée par convection entre

l'air et la paroi froide du serpentin (équation 14.A4) s'écrit: 1

q (x) = 89,1 Ae [Tair(x) - Tsi] 1

q (x) quantité de chaleur échangée sur une longueur élémentaire dx où , Tair est supposée constante;

h : coefficient de convection de la paroi interne avec l'air;1

Ae : surface élémentaire d'échange entre l'air et la paroi interne;

1 Tair(x) : température de l'air dans le serpentin supposée constante sur

une longueur élémentaire dx ; 1

Tsi : température de la paroi interne du serpentin qui est sensiblement

égale à la température de l'eau du bain eau glace. 1 .

L'air entre au niveau d'un serpentin avec une température To, un débit m 1

et une enthalpie ho, ainsi la puissance totale apportée par l'air chaud peut

s'écrire:•

(23.A4)

•

•

•

•


105


Au fur et à mesure que l'air parcourt le serpentin cette énergie Eo est

diminuée sur chaque longueur élémentaire d'une quantité q (x), ce qui

provoquera une chute de température progressive de l'air. Etant donné que la

température de l'air ne reste pas constante nous allons utiliser une méthode

numérique pour déterminer sa température de sortie de l'appareil (voir figure

12.A4).

Tair (0) Tair (s)

~ Tair (1) hs

Entrée----. hl Tair (n) Es ----.Sortieair El hn

air

i En Tair(n+1) hn+1

En+1

Pas

Figure 12.A4 : Evolution de la température de l'air dans un serpentin

Initialisation: à l'état initial nous avons les conditions de l'air qui sont

connues, elles sont: température = 30 "C, humidité relative = 50 % et hodmission =

64,87 kl/kg, et le débit dans un serpentin est de 0,0085 kg/s.

Ce qui donne Eo= 0,0085 x 64,87 => Eo= 0,551 kW = 551 W

Etape 1 : l'énergie totale en 1 que l'on note El est obtenue en retranchant

de l'énergie totale initiale Eo la quantité q (0), qui est la quantité de chaleur

cédée par l'air entre les points 1 et 2.

• On a q (0) = 89,1 Ac [Tair (0) - Tsi]

Ae dépend du diamètre du serpentin et du pas d'itération considéré c'est•

à-dire de la distance qui sépare deux états consécutifs (n et n+ 1) par exemple la

• distance entre 1 et 2. Plus ce pas est petit plus le calcul est précis, nous avons

considéré un pas égal à 20 mm. • 106

PROJET DE FIN D'ETUDE - P. 1. MANE - A. NDIA YE - G.E.M. E.S.P. THrES 2004 - 2005

i


Ainsi

Ae = circonférence interne du serpentin x pas

Ae = (l[ D) x 0,02

Ae = l[ x 0,03 x 0,02

(24.A4)

=> Ae = 18,84 10-4 m2

avec

Tsi = 0 -c

'1 !

"1

on a

q (0) = 89,1 x 18,84 10-4 x (30 - 0) -> q (0) = 5,04 W

Nous avons ainsi El qui est égale à :

(25.A4)

=>

> El =

El =

551 - 5,04

545,96 W

:\1

Voyons maintenant l'enthalpie correspondant à cette énergie, nous

avons:

. El = m, hl (26.A4) => => h - 545,96

1 0,0085

•

•

•

=> hl = 64,23 kJ/kg

A partir de là nous pouvons lire sur les diagrammes psychométriques la

température correspondante à cette enthalpie. Avec 1'humidité qui est de 50 %.

Elle est de :

Tair (1) = 29,8 -c

•

•

Etape 2: nous procédons

déterminer la température Tair (2).

de la même manière qu'à l'étape 1 pour

•



--1 1

Et ainsi de suite jusqu'à la sortie du serpentin pour obtenir la température

de sortie de l'air. Le nombre d'itérations à effectuer dépend du pas pris et de la

longueur du serpentin, c'est ainsi que nous avons :

Pas = 20 mm

Longueur = 691 mm

. . 1 b d' .,. . d N 691 35·' .Nous avons ainsi e nom re iteranons qUI est e = - ::::::: Iterations 20

Le tableau 7.A4 suivant présente les itérations qui ont permis d'obtenir la

température effective de sortie de l'air.

1

1

,

•

•



l

Ti (OC)

30

29,8

29,6

1 29,4

29,1

28,8"' 28,5

28,2l

27,9

27,6

27,3

27

26,7

26,4

26,1

25,8

25,5

25,2

24,9

24,6

24,3

24

23,7

23,4 • 23,1

23 • 22,9

22,6 • 22,4

22,3

22,2

22,1 • 22

hi (en Qs x hi q (x) h(i+l) T(i+l) k.i!ke) (en W) (W) (en J/ke) (OC)

64,87 551,395 5,038486 64,27723691 29,8

64,2772 546,35651 5,004896 63,68842557 29,6

63,6884 541,35162 4,971306 63,10356598 29,4

63,1036 536,38031

62,8036 533,83031

62,0036 527,03031

61,3036 521,08031

60,3036 512,58031

59,6036 506,63031

58,8036 499,83031

58,1036 493,88031

57,4036 487,93031

56,8036 482,83031

56,0036 476,03031

55,4036 470,93031

54,8036 465,83031

54,2036 460,73031

53,6036 455,63031

52,6036 447,13031

51,8036 440,33031

51,1036 434,38031

50,4036 428,43031

49,7036 422,48031

48,9036 415,68031

48,2036 409,73031

47,4036 402,93031

46,7036 396,98031

45,7036 388,48031

44,7036 379,98031

44,1036 374,88031

43,5036 369,78031

42,9036 364,68031

42,3036 359,58031

4,937717 62,80356598 29,1

4,887332 62,00356598 28,8

4,836947 61,30356598 28,5

4,786562 60,30356598 28,2

4,736177 59,60356598 27,9

4,685792 58,80356598 27,6

4,635407 58,10356598 27,3

4,585023 57,40356598 27

4,534638 56,80356598 26,7

4,484253 56,00356598 26,4

4,433868 55,40356598 26,1

4,383483 54,80356598 25,8

4,333098 54,20356598 25,5

4,282713 53,60356598 25,2

4,232328 52,60356598 24,9

4,181944 51,80356598 24,6

4,131559 51,10356598 24,3

4,081174 50,40356598 24

4,030789 49,70356598 23,7

3,980404 48,90356598 23,4

3,930019 48,20356598 23,1

3,879634 47,40356598 23

3,862839 46,70356598 22,6

3,846045 45,70356598 22

3,79566 44,70356598 21,7

3,76207 44,10356598 21,2

3,745275 43,50356598 20,7

3,72848 42,90356598 20

3,711685 42,30356598 19,6

3,69489 41,70356598 19,1

Tableau 7.A4: Détermination de la température de sortie effective de l'air ! 109


1


l

Le tableau 7.A4 nous montre que l'air sort à une température de 19,1 "C, '1

valeur qui est très proche des 18 "C pour lesquelles un débit de 700 kg/h doit

être soufflé dans le local pour avoir l'ambiance désirée, raison pour laquelle le

débit d'air à souffler sera maintenu à 700 kg/ho

';

•

..

•

PROJET DE FIN D'ETUDE - P. I. MANE - A. NDiAYE - G.E.M. E.S.P. THIES 2004 - 2005

1

110


l

A4 - 6 Types de climatiseurs 1

Il existe une multitude de systèmes de climatisation qui différent

1 essentiellement par la puissance frigorifique, le principe de fonctionnement et les

domaines d'application ainsi que les avantages et inconvénients que présente tel 1

système par rapport à un autre.

" Le choix du type de climatiseur dépend essentiellement de la destination

du local, de son exposition, des apports qu'il subit et surtout de la manière dont l

ces apports sont répartis dans l'espace et dans le temps: si les locaux d'un

, ensemble sont, à ce point de vue, de nature nettement différentes les unes des

autres, il peut être indispensable de les équiper d'installations de types

'1 différents: par exemple, dans le cas de bureaux répartis dans un building très

large, les locaux du centre pourront être desservis par un système à deux gaines 1

d'air, alors que les locaux situés en façade le seront par des conditionneurs

individuels.

Il arrive également qu'on puisse utiliser dans plusieurs zones le même •

type d'installation, mais que les régulations automatiques adoptées pour chacune

d'elles doivent être différentes, ou simplement indépendantes les unes des• autres.

• C'est finalement dans ce choix des types d'installation adaptées aux

différentes zones que réside l'art de l'ingénieur en conditionnement d'air. •

Les tableaux des pages suivantes donnent une idée sur les types de •

climatiseurs existant:

•

PROJET DE FIN D'ETUDE - P. 1. MANE - A, NDIA YE - G.E.M. E.S.P. THIES 2004 - 2005

1

III

il il ;li llIi iIiii ... ,,;j d ~ ;.;.;;J ~ ...-J ~.. • • • • • • CONCEPTION D'UN NOUVEAU SYSTEME DE CLIMATISATION

Plages de SYSTEMES puissance

Climatiseur 1,2 à 12 kW fenêtre

Annoire de 6 à 200 kW climatisati on

Splits-systèrn 6 à 200 kW

Avantages et inconvénients

- Vitesse de ventilation variable, - installation simple et rapide, - encombrement réduit, - frais d'investissement minimes - la température et l'humidité relative obtenues sont peu précises

Même avantages et inconvénients que pour le climatiseur fenêtre

- Possibilité d'ajuster la puissance frigorifique aux besoins réels, - difficulté d'obtenir une température et une humidité relative très précises, - frais d'installations supplémentaires dus aux tuyauteries de jonction.

Principe de fonctionnement

Il dispose d'un thermostat d'ambiance pour la régulation de la température. C'est un appareil à détente directe et à recyclage d'air avec une faible admission d'air neuf environ 10 0/0, il est placé à l'intérieur du local à climatiser. Nous avons une régulation par thermostat sur la gaine de reprise. Possibilité de faire une régulation en échelon. Emplacement à l'intérieur comme à l'extérieur du local. L'évaporateur est séparé du groupe de condensation et disposé dans le local à climatiser. Appareil à détente directe équipé d'un système de régulation par thermostat d'ambiance.

Domaines d'application

Bureaux, salles de classes, magasins etc.

Magasins, bureaux, salles d'ordinateurs, supermarchés, petites salles de conférence.

Les mêmes applications que les armoires de climatisation.

PROJETDE FIN D'ETUDE - P. 1. MANE - A. NDIAYE - G.E.M. E.S.P. THIES 2004 - 2005 112

• • • • • • -- CONCEPTION D'UN NOUVEAU SYSTEME DE CLIMATISATION

Plages de SYSTEMES

puissance

Centrales de traitement d'air 6,5 à 1500 kW

Système de traitement à un 6,5 à 1500 kW

conduit et à DAY

Il .. .. ... ollOI .... -J ~ ...,J; ....J ......J


Appareil à détente directe ou à eau glacée. Son emplacement est à l'extérieur ou dans un local prévu à cet effet. Il peut être réalisé en caissons métalliques juxtaposés ou en maçonnerie. Il présente différents types de régulations: la température ambiante interne, humidité relative. L'air est traité et envoyé à une température maintenue constante entre 10 et 15 "C et une humidité relative ente 35 et 50 % dans les locaux avec une seule gaine. C'est la chaleur dégagée par les occupants, les machines et l'ensoleillement qui permet de réguler la température et l'humidité. La régulation de la température interne se fait sur le débit d'air soufflé.



- Système à débit d'air ou à puissance frigorifique très importante, - calcul des installations très simples, - frais d'investissement réduits, - frais d'exploitation important mais raisonnables, - il offre la possibilité d'un conditionnement d'air à 100 %.

- Les frais d'exploitation sont très compétitifs et les frais d'investissement sont relativement faibles,


Amphithéâtres, théâtres, salles de conférence de toutes sortes, les grands magasins, les entrepôts, les immeubles, les centres de calcul sur ordinateur, etc.

Construction composée de plusieurs locaux ou de zones soumises à des charges fluctuantes.

113

• • • • • • • ..,;,;J 0;.;.;;; J -..!... ... ioI liII .... ......ï ....,J ~ ..;J ---'


SYSTEMES Plages de puissance

Systèmes à induction (éjecto 6 à200 kW convecteur)


- Utilisation de gaines à section réduites où l'air se déplace à grande vitesse jusqu'à 25 rn/s, - possibilité de disposer d'un échangeur à eau froide ou à eau chaude sur l'air du local avant induction, - possibilité d'un renouvellement d'air grâce à l'air primaire, - parfait contrôle de l'humidité relative, - régulation individuelle de la température, - Encombrement réduit, - frais d'investissement relativement élevé.


L'air neuf primaire est traité dans une centrale de traitement d'air puis envoyé dans un éjecto-convecteur placé dans le local à climatiser. L'air passe à grande vitesse à travers les buses et entraîne par induction l'air du local. Ils se mélangent et se diffusent dans tout le local. Possibilité d'un refroidissement ou d'un chauffage de l'air secondaire induit. La régulation sur l'air primaire se fait à point de rosée constant. La température de soufflage varie avec la température extérieure. La régulation du débit d'air secondaire se fait par volet, on peut même avoir une régulation du débit d'eau chaude ou froide qui passe à travers l'échangeur.


Zones externes des immeubles (parkings etc.)

PROJET DE FIN D'ETUDE - P.I. MANE - A. NDIAYE - G.E.M. E.S.P. THIES 2004 - 2005 114

, ..,-. • • • • • • .. • .. • .. ..;> ..J ..;J ...J ...J = CONCEPTION D'UN NOUVEAU SYSTEME DE CLIMATISATION

SYSTEMES Plages de puissance




- Possibilité de réglage Il sont équipés de 2 Même domaine que de température du local batteries, d'une boite de pour les C.T.A. par zone, mélange avec volets air - frais d'exploitation neuf et à air de reprise plus faibles que pour les commandé par thermostat,

Systèmes multi zones C.T.A. La température de à un seul conduit 6,5 à 1500 kW - réseau de gaine de soufflage est obtenue par

soufflage et de reprise mélange d'air avec débit très encombrant et très d'air de sortie mélangé cher, toujours constant.

r - humidité relative difficile à contrôler. - Système très souple, il Le mélange d'air chaud et Bâtiments avec présente la possibilité de froid ne se fait pas dans la plusieurs locaux ou desservir autant de centrale mais dans une zones avec des locaux qu'on désire et la boite à mélange disposée charges fluctuantes. nécessité de disposer de dans un local. Les locaux à

Système à air total et à 2 gaines principales. desservir comportent une deux conduits 6,5 à 1500 kW - les mêmes que ceux gaine d'arrivée d'air froid

des installations multi et une gaine d'arrivée d'air zones réalisées en mono chaud. La régulation gaine. Système très cher. individuelle de

tem pérature par local ou par zone se fait par

115 PROJET DE FIN D'ETUDE - P. L MANE - A. NDIAYE - G.E.M. E.S.P. THIES 2004 - 2005

• • • • • • • • • .. III ... .. ..J ....1. ... .... Mil ---l ......J


SYSTEMES

Système à ventiloconvecteur

1

Plages de puissance

6 à 200 kW


- Frais d'investissement réduits, - calcul des installations simple, - nUIsances sonores dues au ventilateur incorporé dans l'appareil.

1 mélange proportionnel. Principe de

fonctionnement Possibilité de disposer d'un ventiloconvecteur par local alimenté en eau froide (glacée) en détente directe. Nous avons la possibilité d'avoir un apport d'air neuf. La régulation de la température est individuelle.

1


Les immeubles, les bureaux, les salles de classe, les hôtels etc.

Tableau 8.A4 : Différents systèmes de climatisation existant

PROJET DE FIN D'ETUDE - P. I. MANE- A. NDIAYE - G.E.M. E.S.P. THIES 2004 - 2005 116

l CONCEPTION D'UN NOUVEAU SYSTEME DE CLIMATISATION -)

1

l

l

,

l

'1

1

1

•

B

Deuxième partie

PROPOSITION D'UN NOUVEAU SYSTEME DE CLIMATISATION

•

•

•


1 117

1


1

.., BI - Schémas de l'installation 1

Nous présentons ci-dessous des schémas de l'appareil permettant une compréhension

l et un aperçu global du système proposé. Ces schémas sont suffisants à tout ingénieur ou

technicien averti ou autre professionnel de pouvoir donner des critiques sur le principe de

1 fonctionnement, les méthodes technologiques utilisées dans la conception et les parties à

améliorer. Cependant, pour approfondir certains points, il sera nécessaire de consulter le 1

document technique accompagnant ce présent rapport. Ce document donne des dessins de

l définition, des dessins de détails, des dessins d'ensemble ainsi que des dessins éclatés.

1

..

1

1

1

1

1

Figure LB 1 : Dessin de l'appareil dans son ensemble

La figure 1.B1 montre le dessin de l'appareil dans son ensemble. Nous pouvons voir

les carcasses extérieures, la portière (ainsi que ses poignées de manœuvre et de



verrouillage) et le robinet fontaine. Nous pouvons aussi voir les persiennes horizontales et

verticales qui sont utilisées pour l'orientation du flux d'air dans le local à climatiser.

l

"

l

'1

'1

,

Figure 2.B1 : Dessin de l'appareil en traits d'esquisse

Le dessin ci-dessus donne, en trait d'esquisse et de trait caché, une vue de l'appareil Il

en perspective. Nous pouvons donc entrevoir la disposition des serpentins et du bac à glace.

Il Nous notons d'une part le mode de réglage des persiennes les pieds de positionnement de

l'appareil à chaque coin de la carcasse principale. •

119 PROJET DE FIN D'ETUDE - P. 1. MANE - A. NDIAYE - G.E.M. E.S.P, THIES 2004 - 2005 ,.


l

'1

'1

'1

1

'1

'1

11

1

Figure 3.B1 : Dessin de détails des serpentins

• Les serpentins, disposés en deux rangées, servent de canalisation au flux d'air. Ces mêmes serpentins sont reliés par un joint d'étanchéité qui minimise les pertes.

•

•

SI

-PROJET DE FIN D'ETUDE - P. 1. MANE - A. NDIAYE - G.E.M. E.S.P. THlES 2004 - 2005

120


m ~l

l'1

l l

'1

Figure 4.BI Dessin montrant le filtre et la carcasse arrière de l'appareil

•

•

•

•

•

•

PROJET DE FlN D'ETUDE - P. I. MANE - A. NDIA YE G.E.M. E.S.P. THIES 2004 - 2005

•

121


l

l

'1

1

'1

1

1

Figure S.BI : Dessin montrant les persiennes et leur mode de réglage

Ce dessin illustre clairement les persiennes et leur mode de réglage. L'épaulement , effectué sur la tige de réglage (tige filetée) se loge sur la carcasse, arrêtant ainsi la tige en

• translation. Ce qui fait que si la tige se met en rotation, la partie taraudée liée à la tige se

déplace en translation, permettant ainsi aux persiennes de se mouvoir de se mouvoir autour

1 de leurs axes. Ce dispositif existe aussi bien verticalement que horizontalement. Ce dessin

montre aussi le système de verrouillage. Il a été remarqué que dans les habitations, en •

général, on s'étonne que lorsque l'opérateur ferme le congélateur par exemple, la portière

• reste parfois ouverte; ce qui occasionne beaucoup de pertes. Lors de la fermeture de cet

appareil de seconde poignée (celle qui effectue le verrouillage en question) se loge entre les

• deux cylindres. Ainsi, nous sommes sûr que l'appareil est bien fermé.

•

•

•

•

122 • PROJET DE FIN D'ETUDE - P.1. MANE - A. NDIAYE - G.E.M. E.S.P. THIES 2004 - 2005

1


l

l

a"' '1l a '1

1 '1

l '1

Qa 00 • 1 PO i) t)+ • '1

Figure 6.Bl : Dessin de face de l'appareil

BI - I Principe général de fonctionnement

:11 L'appareil illustré par ces quelques vues (pour plus de détails, se référer au document

technique) fonctionne selon le principe des échangeurs. De l'air filtré passe à travers le

• diffuseur qui canalise le flux d'air sur les serpentins. Du fait que ces serpentins sont reliés

par un joint qui réduit les pertes et atténue les déperditions thermiques de la chambre froide. •

Les serpentins sont plongés dans un bac à eau glacé à deux compartiments (il est à rappeler

• que cette conception s'est appuyé sur deux charges c'est-à-dire deux morceaux de glace).

L'air sort de l'autre coté à travers les persiennes. Le volume d'eau continue d'augmenter et •

à un certain niveau, l'eau (après avoir été filtré) se déverse sur la rampe pour être acheminer

• vers le robinet fontaine.

-_ PROJETDE FIN D'ETUDE - P. 1.MANE - A. NDIAYE - G.E.M. E.S.P. THlES 2004 - 2005

123

.,"

CONCEPTION D'UN NOUVEAU SYSTEME DE CLIMATISATION -:1

C'l B2 - Conception et dimensionnement des composants de

1 l'appareil

Les principaux composants de l'appareil à dimensionner sont les serpentins et

le ventilateur. Le dimensionnement des serpentins a été déjà effectué dans la partie

climatisation artificielle. Le seul élément qu'il reste à dimensionner est le ventilateur.

B2 - 1 Dimensionnement du ventilateur

Le dimensionnement du ventilateur consiste à déterminer les caractéristiques

de fonctionnement adéquates et choisir dans les catalogues des constructeurs le

ventilateur approprié.

Définition :

, Les ventilateurs sont des turbomachines à roue cloisonnée qui transfèrent à

l'air sous forme d'énergie aéraulique utile une partie de l'énergie mécanique qu'elles

reçoivent.

Le choix des ventilateurs d'une installation de conditionnement d'air est très ~1

l important, car la bonne marche de celle-ci repose en grande partie sur eux. Les

principaux éléments qui conditionnent le dimensionnement d'un ventilateur sont:

le débit d'air à souffler, l

l

les pertes de charges à vaincre au niveau des serpentins,

le niveau sonore à ne pas dépasser,

l'encombrement le poids des parties constitutives des appareils tels qu'ils puissent

être installés à la place définitive, en tenant compte des accès au moment où ils le

seront,

conditions d'entretien et de démontage,

1 robustesse et résistance à la corrosion.

Les différents types de ventilateurs:


"1

1

"1

'1

1

:"\1

•

•

•

•

•

-


Les ventilateurs se divisent en quatre types au point de vue du mode

d'écoulement de l'air dans leur roue:

1° Les ventilateurs à roues centrifuges où le vecteur vitesse de l'air est

sensiblement parallèle à l'axe de rotation dans l' ouie d'aspiration puis sa direction

s'infléchit dans la turbine pour se trouver finalement dans un plan perpendiculaire à

l'axe de rotation. Le plus souvent l'air qui sort de la roue avec une vitesse absolue

élevée est ralenti dans une volute en forme de colimaçon, qui rassemble tous les filets

d'air s'échappant de la roue.

Le roues centrifuges peuvent également être montées dans des enveloppes de

révolution: les filets d'air sortant de la roue s'infléchissent alors dans un coude

torique et ressortent parallèlement à l'axe par un orifice ayant en général les mêmes

dimensions que celui d'aspiration, ce qui peut présenter certains avantages au point

de vue de l'implantation.

2° Les ventilateurs à roue hélicoïdes dans lesquels la vitesse absolue de l'air reste

sensiblement parallèle à l'axe de rotation de l'hélice. Ces ventilateurs n'on pas de

volute mais une virole cylindrique de section constante, réduite à un simple pavillon

ou même une couronne dans le cas des ventilateurs dits muraux. Lorsqu'ils sont

établis pour donner une pression assez élevée (au-delà de 32 daPa par exemple pour

un ventilateur de la 000 m3/h), cette enveloppe comporte en général une aubage fixe,

appelé inclineur s'il est placé en amont de la roue et redresseur s'il est en aval. Il

existe également des ventilateur à deux hélices contra-rotatives, l'hélice amont jouant

le rôle d'inclineur pour la roue aval qui, réciproquement, jour le rôle de redresseur

vis-à-vis de la roue amont. Les roues hélicoïdes peuvent parfois être montées dans

des volutes, auquel cas l'air sort perpendiculairement à l'axe de rotation.

3° Les ventilateurs à roue hélico-centrifuges où le vecteur vitesse de l'air s'écarte

encore un peu de la direction de l'axe de rotation à la sortie de la turbine: le

complément d'infléchissement des filets/d'air a lieu le plus souvent dans une volute

PROJET DE FIN D'ETUDE - P. 1. MANE - A. NDIA YE - G.E.M. E.S.P, THIES 2004 - 2005

-126


analogue à celle des ventilateurs centrifuges où il devient perpendiculaire à l'axe de l

rotation de la roue. Une roue hélico-centrifuge peut être également montée dans une

enveloppe cylindrique comportant alors un redresseur: le vecteur vitesse de l'air

devient parallèle à l'axe de rotation.

4° Les ventilateurs à roue centripète-centrifuge, appelés souvent transversaux, où

l'air entre perpendiculairement à l'axe de rotation à travers un secteur de la roue pour

ressortir perpendiculairement à l'axe à travers un autre secteur: un telle roue, dont 1

l'aubage est traversé deux fois par l'air et dont les ouies sont obturées, est en général

1 placée dans une enveloppe dont la forme est voisine des trois quarts ou de la moitié

d'une volute, le quart ou l'autre moitié servant à l'entrée de l'air sur toute sa , longueur.

1 Caractéristiques principales des ventilateurs:

1 On peut également chercher à classer les ventilateurs d'après les pressions qu'ils

donnent, appelées en général basses jusqu'à 72 daPa, moyennes de 73 à 360 daPa,

• hautes de 361 à 3000 daPa. En conditionnement d'air on utilise presque toujours des

ventilateurs à faible pression, sauf dans des cas très spéciaux. •

Cette limite de 360 daPa a été choisie pour fixer la pression à partir de laquelle

• on peut plus négliger dans le calcul des performances l'effet de la compressibilité

sans commettre d'erreur appréciable. •

•

•

•

•

•

PROJET DE FIN D'ETUDE - P. 1. MANE - A. NDlAYE - G.E.M. E.S.P. THIES 2004·2005 127


Cette classification ne fait que départager des classes d'utilisation. L'indication "l

de la seule pression ne permet pas en effet de présumer du type du ventilateur, il faut

Tl connaître en même temps le débit à fournir et la vitesse de rotation admissible.

Les variables relatives à un ventilateur sont les suivantes:

Pa pression atmosphérique;

t température de l'air supposé sec;

p masse volumique de l'air en kilogramme par mètre cube; l

qv débit de l'air en mètre cube par seconde;1

., qp débit de l'air en kilogramme par seconde;

P pression statique fournie par le ventilateur en décapascal ; "1

Pd pression cinétique à la sortie du ventilateur en décapascal ;

Pt = P + Pd pression totale fournie par le ventilateur en décapascal ; 1

ip =..E..- indice de pression statique du ventilateur; '1 P,

Si section du refoulement du ventilateur en mètre carré; '1

Vi vitesse moyenne de l'air dans la section Si soit ~ en mètre par seconde; Si

U vitesse périphérique de l'extrémité des pales de la roue en mètre par seconde;

d diamètre de l'orifice d'aspiration en mètre;

N vitesse de rotation en nombre de tours par minute; Il

Pa puissance absorbée au moyen de la roue en kilowatt ;

g accélération de la pesanteur en m/S2

O, orifice équivalent au circuit pour le ventilateur en mètre carré; qui est la section

• en rn? de l'orifice circulaire de coefficient de contraction Cq = 0,65 (en mince paroi)

qui offre au passage de l'air la même résistance que le réseau dans lequel souffle le •

ventilateur.

Pu puissance effectivement utilisée à la mise en pression de J'air en kilowatt; • YI rendement du ventilateur;

•


.,


N; niveau de puissance sonore émise par le ventilateur au-dessous de 10-12 Watts, en

décibels;

Np niveau de pression sonore créé par le ventilateur en un point donné d'un local

au-dessus de 2.10-5 pascal.

Les catalogues des constructeurs de ventilateurs sont le plus souvent établis

pour une masse volumique p = 1,200 kg/m correspondant à une température de 20

"C, une humidité de 65 % et une pression de 101 325 Pa suivant prescriptions de la

norme NF X 10200.

l Notons qu'ils existent trois modes de représentation le plus souvent utilisés

dans leurs catalogues: sur les trois le débit volume est porté en abscisse et la pression

en ordonnée, en coordonnées rectangulaires, mais ils diffèrent par le mode de

graduation de ces axes ce qui confère à chacun d'eux des propriétés particulières, 1

indépendamment des unités choisies qui sont très diverses. Ces trois modes sont:

Graphiques linéaires: l'échelle des débits et celle des pressions sont linéaires.

Graphiques semi-linéaires : l'échelle des débits est linéaire et celle des pressions 1

proportionnelle à leur racine carrée.

1 Graphiques logarithmiques: l'échelle des débits et des pressions sont

logarithmiques. 1

Dans le cadre de notre projet le débit d'air à souffler dans le local, calculé plus

1 haut, s'élève à 700 kg/h ou 595 m3/h. Pour des soucis d'encombrement notre choix

s'est porté sur les ventilateurs hélicoïdes. 1

1

1

• 129

PRO.lET DE FIN D'ETUDE - P. 1. MANE - A. NDIAYE - G.E.M. E.S.P. THIES 2004 - 2005

•


B2 - 1.1 Pertes' de charges

Les pertes de charges dépendent de la vitesse de circulation de l'air de la

1 section des serpentins de leur longueur et des singularités que présentent celles-ci. La

figure 1.B2 suivante représente l'évolution de la pression au niveau d'un serpentin. l

/ Ventilateur

/Diffuseur Serpentin

1 J 1

1

•

• 1 1-1

1 1

1 1 1

1 1

Figure .B2: Evolution de la pression au niveau 1

•1 1

du serpentin 1

Pertes de charges au niveau du diffuseur: • Les pertes de charges pour les diffuseurs étant définies pour les sections

• circulaires, nous allons déterminer les diamètres équivalents du diffuseur à sections

• rectangulaires de notre appareil.

•

• 130

PROJET DE FIN D'ETUDE - P. 1. MANE - A. NDlAYE - G.E.M. E.S.P. THIES 2004 - 2005

CONCEPTION D'UN NOUVEAU SYSTEME DE CUMATISATION

~l

1

Les dimensions du diffuseur sont:

., 4111

:11... 1

,-----------------, -- ------

l

193

l l

.)

Figure 2.B2 : dimensions diffuseur

Sachant que:

, 1 a 1

:~ ~:

1 Figure 3.B2 : Equivalence entre section circulaire et rectangulaire

d= 2ab ( l.B2) a+b

•


1 CONCEPTION D'UN NOUVEAU SYSTEME DE CLIMATISATION

--1

Donc le diffuseur à sections circulaires équivalent au diffuseur de l'appareil

'-1 aura les dimensions suivantes:

l if> 262,7

if> 106,2 1

'" Figure 4.B2: diffuseur à section circulaire équivalent

La perte de charge est donnée par la formule: 1

_ P 2

~P(diffuseur) - ç"2Vm (2.B2)

Avec: 1

~P(diffuseur) perte de charge au niveau du diffuseur en Pa ;

çcoefficient de perte de charge;

p masse volumique de l'air en kg/rn', p = 1,177 kg/rn"; 1

Vm vitesse moyenne de l'air en rn/s.

, ç est fonction de l'angle d'ouverture du diffuseur et du rapport de la section de

1 sortie sur la section d'entrée du diffuseur, on a :

1

Ss -- 0,16 (3.B2)• Se

li

• iOiiiiiiiiiiiiOiiiiiiiiiii iiiiiiiiiiiiiiOiiiiiiiiiiiiOiiiiiiiiiii__iiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiii iiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiOiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiii- 132 PROJET DE FIN D'EruDE - P. I. MANE - A. NDIAYE - G.E.M. E.S.P. THIES 2004 - 2005


i Ss

Les courbes de variation de çen fonction de l'angle e et des rapports Se

•i (ces courbes n'ont pu être représenté pour raison de format voir [1]) indiquent:

ç= 0,7

Vm est la moyenne entre la vitesse d'entrée et celle de sortie du diffuseur nous

avons amsi : '1

Vm = (Vs + Ve) (4.B2)1 2

l Avec Q = 0,165 m3/s étant le débit traversant le diffuseur on a:

i (5.B2)

1 Vs=R (6.B2)

Ss

~ Ce qui donne :

1 • 6,57 mIs pour Ve;

• 2,1 mIs pour Vs;

• • et 4,34 mIs pour Vm.

Nous avons finalement la perte de charge au niveau du diffuseur qui s'élève à :

1,177~P(diffuseur)= 0,7 x --x 4,34

2 ~P(diffuseur)= 7,76 Pa

2



Pertes de charges au niveau des changements de direction:

Les changements des directions au niveau des serpentins seront assimilés à des

coudes à 90°.Elles s'élèvent au nombre de 4.

Les résistances locales dues aux coudes sont converties en longueurs fictives

équivalentes.

Ainsi pour le diamètre nominal des serpentins qui est de 30 mm ou 1,18" et

l'angle du coude le tableau l.B2 donne la longueur fictive correspondant aux coudes

de l'appareil.

Nature Diamètre nominal du tube

de la 1/2 " 114 " 1 Il l 'l4 " 1~ " 2" 2~ " 3 " 4" 5 "

résistance 1

Coude

grand 0,15 0,18 0,24 0,33 0,46 0,61 0,76 0,91 1,22 1,52

rayon 90° 1

Tableau l.B2 : résistances locales converties en longueurs fictives (en m) 1

Chaque coude produit l'effet d'une longueur de tuyauterie égale à 0,33 m. On a 1

donc la longueur totale équivalente des 4 coudes qui est de :

1 => Léq = 1,32 m

, Cette longueur sera ajoutée aux longueurs des parties rectilignes.

Pertes de charges au niveau des parties immergées dans le bain: 1

Pour ne pas entrer dans des considérations trop complexes nous allons

1 assimiler ces portions à des conduites rectilignes. La formule suivante donne

l'expression de la perte de charges: 1

(7.B2)

1



l

Avec:

Ap, pertes de charge en Pa ;

À coefficient de perte de charge, fonction du nombre de Reynolds Re et de la

rugosité absolue E ;

d diamètre de la conduite en m, d = 30 mm ;

1longueur de la conduite en m ;

Vm vitesse moyenne en mis, Vm = 10 mis;

p masse volumique en kg/rn', p = 1,177 kg/m". 1

Le diagramme de HARPE et NIKURADSE [1] donne les variations du l

coefficient À en fonction de Log Re et de ~ . Avec E la rugosité absolue de la d'1

surface;

1 Le nombre de Reynolds de l'écoulement a été calculé dans les chapitres

précédents il est de Re = 19396 ainsi:

Log Re = 9,87 , Le tableau 2.B2 suivant donne les valeurs des rugosités absolues selon les

::1 matériaux:

'1

,

1

•

•

•

• 135

PROJET DE FIN D'ETUDE - P. 1. MANE - A. NDJAYE - G.E.M. E.S.P. THIES 2004 - 2005


l

Valeurs des rugosités absolues en microns 1

Verre ........................................... , ...... 0,064 0,256 1

Laiton étiré, plomb, cuivre ........................ 0,064 0,32

Ciment fin............................................ 2,4 4,8l Ciment grossier..................................... 6,4 12,8 , Caoutchouc ordinaire.......... , ................... 2 4

Caoutchouc grossier................................ 4,8 9,6 l

Tubes à gaz en fer ................................... 6,4 16

l Tuyaux asphaltés en tôle ou fonte................ 9,5 19

Fonte neuve ..................................... , .... 32 64 , Fonte service ......................................... 80 160

Tuyaux en tôle rivée Bois bien raboté ........... 8 16 1

B'OIS ord' . 32lnalre ....................................... 16

1 Bois planches rugueuses........................... 64 128

Maçonnerie, briques bien exécutées............. 64 128 1 Maçonneries ordinaires............................ 96 192

Maçonnerie moellons.............................. 640 1280 1

Parois en terre et en gravier. ....................... 3200 6400

1

• Tableau 2.B2 : Rugosités de quelques matériaux

• Les serpentins étant en cuivre nous considérerons les conditions les plus

défavorables en prenant la rugosité la plus grande c'est-à-dire 0,32.

En calculant le rapport -e

on a : d•

e 0,32.10-6

= 10-5

• d 30.10-3


136


Cette très faible valeur nous mène à considérer que les tubes sont des tuyaux

lisses, nous avons ainsi :

À = 0,008

La longueur 1 est la somme des longueurs supposées rectiligne et celle des

longueurs équivalentes des singularités nous avons:

1= Léq (4coudes) + longueur portions immergées + longueurs rectilignes

1= 1,32 + 0,691 + (0,070 + 0,050 + 0,070) => 1= 2,2 m

En revenant à l'équation de la perte de charge nous aurons:

,1. =°008 x 1,177x 2,2 x 102

Pr' 2xO,03 => ,1.Pr = 34,53 Pa

Pertes de charge au niveau du filtre

Le filtre constitue une résistance, il cause donc des pertes de charge mais

celles-ci sont faibles. Toutefois nous en tiendrons compte par une majoration de 2%

sur la valeur totale calculée des pertes de charge.

..

•

•

•

Pertes de charge totales

Elle s'obtient en faisant la somme de toutes les pertes de charges, nous avons

amsi :

~p = ~P(diffuseur) + Ap,

~p = 7,76 + 34,53 => i1p = 42,3 Pa


CONCEPTION D'UN NOUVEAU SYSTEME DE CUMATISATION

l Avec une majoration de 2% pour tenir compte des pertes de charge causées par

l le filtre nous avons:

l ~Ptotal = 42,3 + 0,02 x 42,3 ~Ptotal = 43,15 Pa

, Donc le ventilateur que nous allons choisir pour notre appareil devra avoir une

pression totale PI qui permette de vaincre cette perte de charge. Pour celala pression , totale de l'appareil sera la valeur de ces pertes de charge majorée de 15%. Nous

avons ainsi : l

Pt = 1,15 x 43, 15 => Pt= 50 Pa = 5 daPa l

Avec cette pression totale du ventilateur son débit nous déduisons la puissance 1

de ce ventilateur.

1

B2 - 1.2 Puissance

Nous avons la puissance absorbée Pa qui est la puissance appliquée sur l'arbre

et la puissance utile Pu qui est la puissance théoriquement nécessaire pour porter à la Il

pression p, le débit d'air qv. La puissance utile est donnée par la relation:

• Pu = qv Pt (8.B2)

Où• Pu est la puissance utile en W ;

• qv le débit volumique d'air en m 3/s ;

Pt la pression totale du ventilateur en Pa. •

Avec les données suivantes pour le ventilateur:

3/s,• qv = 595 m3Jh = 0,17 m

Pt = 50 Pa.

PROJET DEFIN D'ETUDE - P. 1. MANE - A. NDIAYE - G.E.M. E.S.P. THIES 2004 - 2005 138


l

Nous avons: l

Pu = 0,17 x 50 => Pu = 8,5 W

Nous laisserons tout de même une marge de sécurité par une majoration de 15

% sur cette valeur, nous aurons donc pour la puissance utile: l

Pu = 1 15 , x 8,5 => Pu = 10 W , Rappelons que la puissance utile est liée la puissance apparente par la relation:

1

Pu 17= (9.B2)

1 Pa

Où '1

11 est le rendement du ventilateur que l'on aura choisi.

1

B2 - 1.3 Niveau de puissance sonore

Le bruit étant un élément important dans le confort des personnes il est

primordiale de pouvoir apprécier quelle sera l'intensité du bruit que produira la

ventilateur pour cela nous définissons:

Le niveau de puissance sonore N; qui s'exprime par la relation

P '1 N~. = 10Iog-W- (l0.B2)

w 10-12

• Où

N; est en décibels, •

Pw la puissance sonore émise par le ventilateur en watts dans toutes les

• directions.

Le niveau sonore maximal que nous avons considéré pour le ventilateur à •

installer est de 50 décibels, qui correspond à un bruit courant et pour lequel la

conversation se fait à voix normale (voir tableau N°l annexes).•

•

PROJET DE FIN D'ETUDE - P, 1. MANE - A, NDlAYE - G.E.M. E.S.P. THIES 2004 - 2005 139


, B2 -1.4 Mode d'entraînement du ventilateur

Le ventilateur sera entraîné par moteur électrique à courant alternatif. Au

Sénégal c'est le courant triphasé 50 périodes qui est le plus répandu: il permet

l'obtention de vitesses de rotation voisines de 3000, 1500, 1000, 750, 600 tr/min etc.

suivant que les moteurs ont 1, 2, 3, 4, 5 paires de pôles.

, Les moteurs fonctionnant sur courant triphasé sont en général du type

asynchrone et sont extrêmement simples et robustes. Par contre ils perdent leur

simplicité dès qu'on veut obtenir un réglage continu de la vitesse. C'est ainsi que le

'1 choix du moteur est porté sur un moteur asynchrone.

En définitive nous devrons choisir dans un catalogue de constructeur de

ventilateurs, un ventilateur dont les caractéristiques de fonctionnement avoisinent les

1 valeurs suivantes :

Température de l'air....................................... t = 30 oC 1

Pression atmosphérique................................... Pa =101 325 Pa

1 Débit volumique............ qv = 595 m3/h

Pression totale................................................. Pt= 5 daPa 1

Vitesse de rotation............................................ N = 1000 tr/min

Puissance utile. . . .. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . .. . .. . . . . .. Pu = 10 W 1

Rendement. .. . . . 11 > 75 0/0

• Niveau de puissance sonore.............................. N; = 50 dB

• En consultant des constructeurs tels que VITEK, SAMSUNG, EVERNAL, on

peut avoir un ventilateur répondant à ces critères. •

•

•

•


l


B3 - Etude de fabrication de l'appareil

La réalisation de l'appareil ne s'appesantira pas sur les pièces standards, c'est-à

dire celles ne nécessitant aucune conception. Tout de même, nous donnerons une

désignation complète en vue d'un choix facile.

Nous noterons l'utilisation d'un logiciel très pratique en ce qUI concerne la

conception, la fabrication, le contrôle de pièces mécaniques.

B3 - 1 Présentation du logiciel: emachineshop

Emachineshop est un logiciel en ligne sur le net. Il comporte une aire de dessin.

Cependant des dessins de conception peuvent être importées d'autres logiciels comme

SolidWorks. Cet outil présente une liste de machine outils, de matériaux, de processus

de fabrication, de précaution à prendre pour chaque type de fabrication. De plus, il est

capable de vous dire si tel matériau est compatible avec telle utilisation ou telle

, processus de fabrication. Des coûts sont présentés à la suite de l'analyse pour une

commande éventuelle de la pièce en question par le biais du net. Il serait fastidieux de

donner ici une description totale de ce logiciel. Il faudra consulter le site

www.emachineshop.com pour s'imprégner de cet outil. Son utilisation nous a

beaucoup aidé et nous donnons ci-dessous l'interface d'accueil de ce puissant logiciel.

Copyright © 2003 - 2005• emachineshop. com

l • 1

-- loading...

PROJET DE FIN D'ETUDE - P. 1. MANE - A. NDIAYE - G.E.M. E.S.P. THlES 2004 - 2005 141

• • • • .. • • ilI ~ .. ... .... ~ .;;J ..JI ....J ...;/ ...; ---.J

CONCEPTION D'UN NOUVEAU SYSTEME DE CUMATISA TION

Machine outil /Pièces Matériaux Observations RôleDésignation

Vis Vis H, M12 - 20, Des rondelles d'appui seront utilisées lors de la Assurer l'assemblage Classe 8.8

8.8 fixation. des carcasses. Assurer la fixation tôle

Vis H, M8 -16, Des rondelles d'appui seront utilisées lors de la Vis Classe 8.8 soutien et carcasse,

8.8 fixation. diffuseur et soutien.

Ces vis présentent des avantages tels que: laVis CHC, 12 - 20, Vis de vidange pour

Vis Classe 8.8 sécurité, l'esthétique, un mode d'entraînement8.8 évacuation de l'eau.

de faible encombrement. Ecrous H, M12, 8.8 Classe 8.8 H, M8, 8.8

Tour parallèle (ou à Outil couteau; outil à gorger; outil à charioter et Support de la tige de commande dresser; réglage des persiennes

Coussinet Bronze numérique) ; Foret à queue cylindrique. horizontales et

Perceuse à colonne. verticales. Acier non allié Tour parallèle ou à Utilisation des outils en acier rapide supérieur (à Réglage de la position C 22 (grâce sa commande défaut d'un outil au carbure métallique). Outils des persiennes pour

' .teneur en numenque; prévus : l'outil coudé, l'outil à dresser, l'outil à l'orientation du flux carbone Perceuse à colonne. charioter ainsi que l'outil à gorger; Foret à d'air dans le local à

Tige de favorable, cet queue cylindrique. climatiser.

réglage des acier se prête Avance de l'ordre de 0.15 avec des vitesses de

persiennes extrêmement coupe modérées. bien à une production sur des tours


..... •• ~.. M ïIri iii iIiii ----iiiJ ':';;1 ...'.."iliil ~ ~ ~ ~ -:::..J ~ CONCEPTION D'UN NOUVEAU SYSTEME DE CLIMATISATION

utilisés fréquemment pour certaines pièces comme vis, écrous, axes, éléments de cylindre).

Acier d'usage général E 24 (bon pliage à

Carcasses froid et ne supérieures nécessite pas de

préparation spéciale pour le soudage).

Acier d'usage général E 24 (bon pliage à froid et ne

Carcasse nécessite pas de principale préparation

spéciale pour le soudage).

Plieuse universelle

Plieuse universelle; Perceuse à colonne (montage d'usinage possible pour les petites et moyennes séries) ; Tronçonneuse; Poste de Soudage à l'arc électrique.

Le réglage de la plieuse s'effectue en modifiant la position du tablier plieur et de la table de la machine par rapport à l'axe de rotation. L'utilisation des butées sera intéressante lors d'un travail en série. Prendre garde à la capacité de la machine, à son réglage en fonction de l'épaisseur à plier et à la préparation de la pièce. La pièce sera pliée à 90° suivant le dessin de définition qui a été fourni. Forets à queue cylindrique permettant d'obtenir des cotes directs. Le poste de soudage permet l'amorçage, l'alimentation, la stabilisation et le réglage d'un arc dans de bonnes conditions. L'intensité est réglée suivant la formule:

1 = 50 (0 -1) o :diamètre de l'électrode à utiliser;

1 : Intensité à régler sur le poste de soudage. Nous prendrons garde toutefois à la grande fragilité de l'électrode. Prévoir un pointage avant

Couvrir la partie supérieure.

Enveloppe protecteur et support des différents accessoires.


...,j• • • • • • - - - .. .. .. .... ... -li ...J -..: -J


le soudage (pour maintien en position des tôles pendant le soudage). Les méthodes de soudage modernes prévoit des procédés automatiques et semi automatiques (petite et moyenne série). L'opération de pliage décrite ci-dessus est aussi préconisée pour cette pièce. La partie plaque support portière sera obtenue par soudage à l'arc électrique. Al' aide d'un courant électrique fourni par un poste de soudage un arc électrique jaillit entre l'électrode (métal d'apport) et la pièce. Respecter les mesures de sécurité (masque, gants, tablier etc.). Nettoyer les soudures: à chaque arrêt: piquer, éliminer les inclusions de laitier et brosser la soudure, faire disparaître au burin les projections de métal fondu.

Acier d'usage Tronçonneuse; Pour un travail en petite et moyenne série, Centrer le flux d'air sur général E 24 Fraiseuse; utiliser les butées de la tronçonneuse. les deux rangées de (bon pliage à Poste de Soudage à Il est à préciser que la rainure d'étanchéité se serpentins. froid et ne l'arc électrique. fera au fraisage et qu'elle précède l'opération de

Diffuseur nécessite pas de soudage. Celle-ci est similaire à celle décrite préparation plus haut. spéciale pour le Utiliser un montage d'usinage pour respecter les soudage). cotes et particulièrement les angles données dans

le dessin de définition. Tôle de Acier d'usage Plieuse Forets à queue cylindrique permettant d'obtenir Ces tôles (au nombre

soutien bac à général E 24 universelle; des cotes directs suivant spécifications du dessin de deux) soutiennent le


1 ;;w• • • • • III iiiiI Iii .. - ~ ~ ;,;;iij ~ ~ ~ ---.J

CONCEPTION D'UN NOUVEAU SYSTEME DE CI.IMATISATION

glaces. (bon pliage à Perceuse à colonne. de définition fourni. bac à glace. froid et ne Le réglage concernera la première tôle à nécessite pas de fabriquer, mais la seconde se servira des butées. préparation spéciale pour le soudage). Les dimensions qui ont été données (voir dessin de définition) pour le filtre ne le sont qu'à titre indicatif (pour

Filtre à air permettre un choix correct sur le marché). Nous reviendrons plus loin sur les caractéristiques du filtre qui a été choisi. Acier d'usage Plieuse universelle; Forets à queue cylindrique permettant Le grillage sert à la général E 24 Perceuse à colonne. d'obtenir des cotes directs suivant les protection du filtre à

Carcasse arrière

(bon pliage à froid et ne nécessite pas de préparation

spécifications du dessin de définition fourni. L'opération de soudage est similaire à celle décrite plus haut.

air et de l'installation.

spéciale pour le Utiliser le dessin de définition de la pièce. soudage). Acier inoxydable: Fraiseuse; Utilisation d'une fraise deux tailles; Support de la charge Z2 CN 18 -10 Cintreuse (type planeur L'opération de soudage est analogue à (glace fondante). (cet acier convient à deux rouleaux, à trois celle décrite plus haut. aux constructions rouleaux, à quatre soudées résistant à rouleaux ou à rouleaux

Bac à glace la corrosion et asymétriques) ; n'exigent pas de Tronçonneuse ; traitement spécial. Poste de soudage. Généralement, après soudage il se crée une corrosion

PROJET DE FIN D'ETUDE - P. 1. MANE - A. NDIAYE - G.E.M. E.S.P. THIES 2004 - 200S 145

-.J ;.;.:J ~ ......s .....:..:i1 --'• • • • • • - - - ..-11II. CONCEPTION D'UN NOUVEAU SYSTEME DE CLIMATISATION

intergranulaire des régions soudées. Mais cet acier y résiste bien. L'isolation thermique sera en polystyrène. Ce choix est le fruit d'un compromis entre le Atténuer fortement coût et la qualité de l'isolation. En général les épaisseurs sont calculées en fonction d'une les déperditions déperdition maximum admise sous forme d'un coefficient de transmission K imposé. thermiques de Nous présenterons ici la méthode simple exposée par le professeur P. Clément (« Revue l'appareil. générale du froid» mai 1964) et considérant un coefficient de conductivité pratique pour le liège. L'épaisseur en cm d'une isolation en liège doit être égale à la moitié de la différence de température en degrés centigrade. Si on emploie d'autres matériaux, il suffit de moduler le résultat proportionnellement au À de l'isolant retenu par rapport à celui du liège. Cette règle a l'avantage d'être simple et de donner des résultats raisonnables.

Isolation En appliquant cette méthode, on a

thermique Ti = 10°C et Te = 30 "C

q L\8 = 20 q Epaisseur liège = 10 cm ~ Epaisseur polystyrène = 0,7 x 10 = 7 cm 0,7: coefficient de modulation = rapport approximatif des coefficients de conductivités.

=> Polystyrène de 7 cm d'épaisseur suivant contour donné par le dessin de définition.

Ce dispositif met les orifices en communication lors d'une pression sur le poussoir. Après le ressort ramène le Robinet poussoir à sa position initiale. Les dimensions du dispositif sont présentées pour permettre un choix judicieux sur fontaine le marché (car la fabrication d'un tel dispositif est bien possible mais engendrerait un outillage dont nous ne

disposons pas et naturellement des coûts plus importants).


• • • • • • • • • '!S .. iiiII .... ooJ ... iiiiiI ~ ...J .....J-CONCEPTION D'UN NOUVEAU SYSTEME DE CLIMATISATION

Portière

Ventilateur et Support

Verrouillage

Persiennes

Acier d'usage général E 24 (bon pliage à froid et ne nécessite pas de préparation spéciale pour le soudage).

Tronçonneuse ; Cintreuse ; Poste de soudage.

Le réglage se fera suivant la formule donnée ci haut. Ne pas oublier d'insérer l'isolation avant l'opération de soudage. Le joint d'étanchéité sera fixé par la suite.

Obturation et étanchéité.

Le dimensionnement du ventilateur a été exposé plus haut. Les supports sont des tôles en acier non allié C 22. Après une opération de perçage, l'assemblage est obtenu par soudage à l'arc électrique (comme décrite ci haut) suivant le dessin de définition établi. Tôle en acier d'usage général E24 (bon pliage à froid et ne nécessite pas de préparation spéciale pour le soudage); Barreau en acier non allié C 22. Acier d'usage général E 24 (bon pliage à froid et ne nécessite pas de préparation spéciale pour le

Perceuse à colonne; Plieuse universelle; Poste de soudage.

Tronçonneuse ; Tour parallèle; Perceuse; Poste de soudage.

Foret à queue cylindrique; Opération de soudage similaire à celle décrite ci haut.

Outil à charioter; Foret à queue cylindrique; Opération de soudage comme décrite ci haut. Un support d'entraînement monté sur les mors est nécessaire pour le tournage.

Assurer la fermeture de l'appareil.

Permettre l'orientation du flux d'air à la sortie.


- - ~ --J...• • • • • - - - - - - - '"'" -CONCEPTION D'UN NOUVEAU SYSTEME DE CLIMATISATION

soudage). L'opération de soudage est un peu délicate à cause de la petite bague; il est préférable d'utiliser un montage.

Gonds pour portière

Acier non allié C 22.

Tour parallèle (ou à commande numérique).

Outil couteau. Des butées pourront être utilisées lors d'un travail en série.

Support portière.

Cuivre. Tronçonneuse ; Réglage décrit plus Canalise le flux d'air du ventilateur, en passant Serpentins Presse plieuse. haut. par le bain d'eau pour aller vers les persiennes

d'orientation.

Tableau 1.B3 : Procédés de fabrication



1 B4 - Etude économique

L'étude économique de cet appareil s'articulera sur, essentiellement, deux points qui

1 sont:

• Le coût de réalisation; 1

• Le coût d'exploitation.

, B4 - 1 Le coût de fabrication

J Ce coût englobe:

• le coût de matière première de l'ensemble des pièces;

• le coût de fabrication (main d'œuvre).

Le coût de matière première et des autres éléments accessoires est listé ci-dessous: , Matières Prix unitaire Prix total Pièces concernées Quantité1 premières (F CFA) (F CFA)

- Filtre 1 la 000 la 000 1 Tôle en acier Toutes les carcasses,

d'usage général diffuseur, poignée, 4 tôles E24 persiennes, support 1000 x 2000 9495 37980

1 épaisseur : 1 mm bac à glace, portière. Tube en cuivre Lunitaire = 800 Serpentins 5 000 92 000

032 x 30 (23 serpentins) • 2 Plaques de

Polystyrène Isolation Il 000 le m2 Il 000720 x 720 x 70

• Tube en cuivre Tuyauterie bac à o 14 x 12 glace L=460 3 000 / m 3 000

• - Robinet fontaine 1 1 000 1 000 Tôles en acier

2 tôles de inoxydable Bac à glace• 1000 x 500 x 1 55905 55905

épaisseur : 1 - Ventilateur 1 8 000 8 000

• - Joint torique 200 400

d = 12 ; ép. = 1,5 2

• Liège armé (une feuille

d'aluminium Deux joints pour • 1 Plaque de

collée entre deux diffuseur 12545 125451000 x 500 x 2

feuilles de liège • aggloméré). 1

148 PROJET DE FIN D'ETUDE - P. 1.MANE - A. NDIAYE - G.E.M. E.S.P. THIES 2004 - 2005

1


Cylindre et carré d'acier non allié

C 22:

---

Plastique

-

-

~:;1

Tige de réglage persiennes, gonds pour portière ' ..

Boulon M 8, 8.8 Boulon M 12, 8.8

Rivets C 3.8 Rondelle pour

gonds Joint d'étanchéité

pour portière Pot de peinture

Cylindre 0 24 L = 1500·,

Carré de 35 L = 1000

16 24 13

o 12 L=80

L = 2000

1

Tableau I.B4 : Prix des différents composants

28 000 28 000

6112/ 100 P 17748/100p 1562/100p

200 par unité

977,92 4259,52 203,06

800

8 000 / m

600

16 000

600

== > Coût total matière première et éléments accessoires = 282 670 F CFA

Nous soulignerons que ces prix résultent d'une enquête sur le marché et ont été établis

., après comparaison de plusieurs fournisseurs pour chaque entité.

Le coût de main d'œuvre comprend le coût de réalisation de chaque pièce et le coût Il

d'assemblage de l'appareil.

~ B4 - 2 Coût de réalisation de chaque pièce

Pièces '" :i1

Carcasse principale Carcasse supérieure Portière Gonds Persiennes• Tiges de réglage Tiges taraudées (orientation persiennes) Carcasse arrière (grille de protection) Diffuseur Tôle support Bac à glace Tuyau de vidange • Support ventilateur Système de verrouillage Assemblage de l'appareil

Coût de la main d'œuvreJF CFA) 2 000 1

1 500 2500 200 500

2 000 500

1 500 3 000 1 000 5 000 500 500

1

3 000 5 000

Tableau 2.B4 : COÛ\ de la main d'œuvre

PROJET DE FIN D'ETUDE - P. I. MANE - A. NDIA YE - G.E.M. E.S.P. TH lES 2004 - 2005 149


= > Coût total de la main d'œuvre = 28 700 F CFA

= > Le coût de réalisation de l'appareil est donc = 311 370 F CFA

~I En appliquant une majoration de 3 % pour tenir compte de la variation des prix cités

l ci haut, le coût de réalisation devient:

= > Le coût de réalisation de l'appareil (après majoration) = 320 700 F CFA

En tenant en compte du bénéfice avant impôt qui est égal à 30 % des frais directs

1 (main d'œuvre, matière première) et les frais fixes qui sont de 20 % des frais directs (dus à

l'amortissement des machines et des locaux pour la fabrication), le coût d'acquisition de :ri

l'appareil est de :

= > Coût du prototype = 312370 x (l + 0,5) = 481 050 F CFA

B4 - 3 Coût d'exploitation de l'appareil

Nous prendrons en compte le coût d'acquisition (qui est ici le coût de réalisation de

l'appareil) et les frais d'exploitations qui sont liés à l'achat de glace, à la consommation en

énergie électrique et à l'entretien de l'appareil.

B4 - 3.1 Frais d'exploitation

Achat de glace :

En considérant (en moyenne) une utilisation de deux morceaux de glaces (à un prix •

unitaire de 50 F CFA le morceaux) dans la journée et deux morceaux de glaces dans la nuit,

... nous avons :

=> Coût total achat de glaces = 50 x 4 = 200 F CFA

Ce qui donne en un mois:

=> Coût total achat de glaces pour le mois 200 x 30 = 6 000 F CFA



B4 - 3.2 Coût de la consommation en énergie électrique

La seule consommation de l'appareil émane du ventilateur. Au Sénégal, le prix du

::1 kWh est approximativement de 100 F CFA. La puissance du ventilateur étant de 12 W et

pour une utilisation de quatre heures (deux heures la journée et deux heures la nuit), nous

lavons:

=> Consommation en énergie électrique - 0,012 x 100 x 4 = 4,8 F CFA '1 l Ce qui donne en un mois:

= > Consommation en énergie électrique (pour le mois) = 4,8 x 30 = 144 F CFA

B4 - 3.3 Coût de l'entretien

Il a été recommandé dans la partie entretien (en annexe) un entretien mensuel de

Il l'appareil. Pour procéder correctement à l'entretien, nous préconisons l'utilisation d'un

produit nettoyant. Il faudra bien entendu, en plus du coût de ce produit nettoyant, tenir

compte du coût d'un chiffon ou d'une éponge propre.

Coût approximatif du produit nettoyant = 250 F CFA

Coût approximatif chiffon ou éponge = 250 F CFA

= > Coût de l'entretien (mensuel) = 500 F CFA

En tenant compte de ces trois coûts, nous nous retrouvons avec un coût d'exploitation

• de l'appareil de :

= > Coût total d'exploitation (mensuel) = 6000 + 144 + 500 = 6644 F CFA •

En faisant la somme du coût d'exploitation et du coût d'acquisition, le coût global de • l'appareil est de :

• = > Coût de l'appareil (au premier mois) 481 050 + 6644 F CFA = 487695 F CFA

•

•

PROJET DE FlN D'ETUDE - P. 1. MANE - A. NDIAYE - G.E.M. E.S.P. THIES 2004 - 2005

•

151


l

B4 - 4 Interprétation du résultat l

En analysant ce prix, on pourrait en déduire que la fabrication du prototype de cet 11 appareil peu s'avérer un peu onéreux. Nous préciserons en premier lieu que ce coût n'est

ni qu'une première estimation. Il est sûr que ce prix estimatif peut être considérablement revue

à la baisse en tenant de plusieurs facteurs tels que: le nombre d'appareils à commercialiser

!1 (fabrication), la consommation en énergie électrique et la facilité de l'entretien (car

l'entretien de l'appareil ainsi que son utilisation ne nécessite pas l'intervention d'un fi

technicien comme c'est le cas pour les systèmes fournis dans le marché).

1

1

•

•

•

•

•

•

• 152

PROJET DE FIN D'ETUDE - P. I. MANE - A. NDIAYE - G.E.M. E.S.P. THIES 2004 - 2005

•


B5 - Evaluation du système "1

l B5 - 1 Performances

Les performances de l'appareil pourraient s'établir en terme d'efficacité et

d'adaptabilité pour les pays comme Sénégal. Les charges thermiques ont été évaluées

l dans une zone où les conditions climatiques sont des plus défavorables. Ce qui fait que

cet appareil peut être utilisé dans d'autres conditions avec de bons résultats. ]

B5 - 2 Limites l

Ce système est totalement différent des grandes installations de climatisation

1 capable de gérer le confort de plusieurs locaux ou bâtiments. Il s'agit d'un système

d'appoint devant assurer un minimum de confort pendant un certain temps. Il faudra , donc dire que, l'utilisation de ce système dans des conditions autres que celles pour

lesquelles il a été dimensionné, pourrait donner des résultats insatisfaisants. 1

B5 - 3 Avantages1

En terme d'avantages, nous pourrions parler de la maîtrise de l'utilisation et de la

1 consommation en énergie. Ce fait est important puisque l'utilisation des systèmes

proposés sur le marché n'est pas bien maîtrisée et cela cause beaucoup de désagréments. 1

De même, la consommation en énergie incombe à l'utilisateur. Nous soulignerons que

même après l'épuisement de la charge, l'appareil peut continuer à brasser l'air. Un 1

avantage considérable est la transportabilité de l'appareil et son caractère

• multifonctionnel. Par le fait de la non utilisation de réfrigérant, l'appareil contribue donc

à la protection de la couche d'ozone. Il est aussi à préconiser l'utilisation à courant •

continue (batterie 12 V) permet de faire fonctionner l'appareil dans des zones non

électrifiées. Enfin, nous noterons le caractère non onéreux du système qui est l'un des• objectifs même du projet.

• B5 - 4 Inconvénients

L'inconvénient majeur de ce système serait certainement son encombrement:• dimensions de l'appareil (1000 x 480 x 320). Cela est du au fait que il fallait tenir

•



compte de la forme de la glace. Il s'est avéré que la forme cylindrique

(approximativement) est à la portée de toutes les couches de la population.

Cela occupe un certain volume (associé à cela les accessoires pour un traitement

TI

et une distribution de l'air de façon adéquate). Du fait que cet appareil est multi

fonctionnel, il est exigé un minimum de soin et d'entretien. Ce qui constitue aussi un

certain inconvénient.

B5 - 5 Etude comparative avec quelques appareils existants

Cette étude mettra sera axée les avantages et les inconvénients de quelques

ri appareils de référence (très utilisés dans le marché) et les performances de l'appareil

1

conçu. Le tableau ci-dessous récapitule les résultats obtenus.

1 Appareils Coût

FCFA Puissance

(W) Avantages Inconvénients

•

•

Climatiseur fenêtre 200 000 1119

2 vitesses de ventilation;

programmation possible 24 h/24 ;

Mode de programmation pas accessible à tout le monde;

filtre facile d'accès.

•

•

•

•

Split système classic

Split armoire

350 000

1 490 000

1119

3730

Très esthétique; 5 modes de

fonctionnement; programmation

de mise en marche.

Très esthétique; système de

contrôle digital.

Consommation en énergie élevée; entretien effectué par

un spécialiste

Consommation en énergie électrique élevée; entretien effectué par un spécialiste

« appareil conçu»

481 050

(Coût prototype)

12

Consommation d'énergie

électrique très faible; multi fonctionnel;

facilité d'entretien

Peu esthétique; un peu encombrant.

Tableau LBS: comparaison de l'appareil avec des climatiseurs existant



Comme interprétation de ces résultats, nous pouvons dire que les principaux

avantages des appareils proposés sur le marché sont de manière générale très esthétique

(encombrement réduit, forme très bien conçu) et offre beaucoup de garanties sur le plan

fonctionnel. Toutefois, nous notons une consommation en énergie électrique élevé (et l

pas à la portée de tout le monde) et une manipulation souvent mal maîtrisée par les

populations.

•

L'appareil qui a fait l'objet de cette conception nécessite une consommation en

énergie très négligeable. Et c'est cela qui compenserait le fait que certains pourraient

considérer son prix d'acquisition éventuellement un peu élevé. Mais, il faudra souligner

le fait qu'il s'agit d'une première conception (prototype). Il est sûr que quand il s'agira

de le commercialiser (c'est-à-dire d'optimiser sa production), plusieurs facteurs

entreront en jeu. En résumé, nous dirons que la facilitation de manipulation de

l'appareil (qui est des plus facile) et son adaptation facile en font un système

performant.1

Par ailleurs, il serait assez difficile d'établir une comparaison entre les appareils 1 offerts sur le marché et celui qui a fait l'objet de cette étude. En effet le fait que cet

appareil est multi fonctionnel est un critère important. De ce fait, servant en même 1

temps de climatiseur d'appoint, de fontaine pour le rafraîchissement et de brasseur d'air,

cet appareil se comparerait mal à ceux utilisés par la population. • Par ailleurs, dans plusieurs installations de climatisation, la durée de VIe du

1

système se base sur celle du compresseur. Ce qui fait que ces installations peuvent aller

1 jusqu'à dix ans; et même souvent plus. Dans notre cas, la durée de vie de l'appareil se

base essentiellement sur celle du ventilateur: durée qui peut aller aussi jusqu'à dix ans.

•

•

•

•

PROJET DE FIN D'ETUDE - P. l. MANE - A. NDIAYE - G.E.M. E.S.P. THIES 2004 - 2005 • 155


CONCLUSIONl

La sensation de confort thermique, qui est fonction des paramètres

physiologiques (taille, poids, activité) et physiques (température, vitesse et humidité de

1 l'air) est obtenue lorsque l'individu ne recourt pas à son système thermorégulateur, Les

études antérieures [3] ont montré que dans nos pays tropicaux il est impossible 1

d'obtenir le confort à certaines périodes de l'année sans recourir à des systèmes de

climatisation artificielle qui ne sont pas toujours à la portée du sénégalais moyen à

cause du coût élevé de facture d'électricité qu'entraîne cette climatisation.

Notre étude de conception dont la première ligne directrice est d'ordre

, économique avait comme principal objectif d'aboutir à un nouveau système de

climatisation qui permette d'améliorer le confort thermique dans l'habitat du 1

sénégalais moyen.

Il Ce système de climatisation marche à l'eau glacée selon le principe suivant: de

l'air soufflé par un ventilateur à travers plusieurs serpentins plongeant dans un bain

1 d'eau glacée voit sa température diminuer à la sortie de l'appareil ce qui pennet

d'adoucir l'ambiance, quand le volume d'eau glacé dépasse un certain niveau des trop •

pleins l'évacuent dans un réservoir en acier inoxydable présentant les conditions

• d'hygiène requises. L'eau recueillie dans ce réservoir peut ainsi être utilisée pour la

boisson.

• Sur le plan économique, la principale conclusion est qu'avec une charge de 200

• F CFA nous arrivons à obtenir 30 minutes de climatisation. Avec une puissance de

l'appareil d'environ 12 W la consommation électrique donc le coût de la facture

• d'électricité se voit nettement diminuer par rapport aux appareils de climatisation

existant.•

•

• 156

PROJET DE FIN D'ETUDE - P. 1. MANE - A. NDJAYE - G.E.M. E.S.P. l'HIES 2004 - 2005

•

l

CONCEPTION D'UN NOUVEAU SYSTEME DE CLIMATISAnON

Ce système présente aussi des inconvénients tels que l'encombrement, un

entretien exigeant une hygiène rigoureuse, etc. ceux-ci sont développés au chapitre B5.

L'étude de l'enterrement d'une gaine d'admission de l'appareil pourrait

nettement contribuer à améliorer les performances de celui-ci.

Par ailleurs, l'utilisation de cet appareil dans les zones rurales (non électrifiées)

se fera celle d'une batterie.

,

Il

•

•

•

•

PROJET DE FIN D'ETUDE - P. I. MANE-A. NDIAYE - G.E.M. E.S.P. THIES 2004 - 2005

-157


RECOMMANDATIONS

1. Mener une étude d'optimisation en vue de J'amélioration du temps de

climatisation de l'appareil.

2. Exploiter la piste de l'enterrement de la conduite d'admission en vue de

l'abaissement de la température d'admission, cela pourrait conduire à obtenir des

résultats intéressants.

l 3. Etudier de près les procédures de minimisation de tous les coûts inhérents à ce

projet.

4. Respecter scrupuleusement l'entretien de l'appareil comme décrit dans la partie

« entretien» de ce présent rapport. Ceci influencera considérablement la durée 1

de vie de l'appareil.

5. Penser à plusieurs modèles dont ceux avec thermostat ou voyant lumineux pour

indiquer l'épuisement de la charge.

1

1

1

•

"

•

•

•

• 158

PROJET DE FIN D'ETUDE - P. 1. MANE - A. NDiAYE - G.E.M. E.S.P. THIES 2004 - 2005

•


REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

[1) A. JUDET DE LA COMBE Encyclopédie du froid: le conditionnement de l'air 1 (éditions J. B. BAILLIERE 1974);

-1 [2) Claude Alain ROULET «Energétique du bâtiment 1: Interactions entre le climat et le bâtiment» (pyc éditions 1988);

'Î [3) Dr SalifGAYE (E.S.P.),« Thèse de Doctorat: Contribution à l'étude du confort thermique en climat tropical humide» (1996) ;

'1 [4) Claude Alain ROULET « Energétique du bâtiment II : Prestations du bâtiment, bilan énergétique global» (pyc éditions 1989);

") [5) Dr SalifGAYE (E.S.P), «Notes de Cours: Transmission de chaleur» (2004) ;

'~l [6) Techniques de l'ingénieur (2005);

[7] G. ANDREIEFF DE NOTBECK« Conditionnement de l'air: Tome l : Généralités» (pyc édition - Paris 1986) ;

[8] P.RAPIN ; P.JACQUART «Formulaire du froid: Aide Mémoire» (éditions eyrolls 1999) ;

" [9] R. DEHAUSSE «Energétique des bâtiments: Calcul des enveloppes» (pyc éditions 1988) ;

,1) [10] w. P. JONES, «Air Conditioning engineering» (1988);

'1 [11] M. BADIANE (E.S.P.), « Notes de Cours: Froid et Climatisation », 2002 ;

[12] Michel GERY (LN. S.A. Lyon), «Confort Thermique et Economie d'énergie:

li application au climat tropical humide» (1996) ;

[13] G. ANDREIEFF DE NOTBECK, «Manuel du conditionnement de l'air », Tome VI : techniques de ventilation de distribution et de diffusion de l'air traité (pyc édition 1986) ; , [14] A. CHEVALIER, « Guide du dessinateur industriel» (éditions HACHETTE technique 1999) ;

,. [15] R. DIETRICH, D. GARSAUD, S. GENTILLON, M.NICOLAS, « Précis

méthodes d'usinage, méthodologie production et normalisation AFNOR» • (éditions NATHAN 1981).

•

PROJET DE FIN D'ETUDE - p, 1. MANE - A. NDIAYE - G.E.M. E.S.P. THIES 2004 - 2005

•

159

"1

1

-1

l l " 1

1 ANNEXESl 1 :1

1 1

•

•

•

•

l

160

Dans l'annexe 1 sont présentés quelques aspects du confort comme le

bruit des tableaux de valeurs utilisés dans le rapport, des notes sur l'entretien.

C'est dans l'annexe 2, qui est un rapport joint à celui-ci, que sont présentés les

schémas détaillés de tous les éléments de l'appareil.

l 1- Le bruit et le confort

'1 Après avoir examiné l'influence de la température de l'humidité de la

vitesse de l'air sur le confort humain, nous avons jugé utile de donner quelques l

indications sur la nature des bruits et sur l'influence qu'ils ont sur le confort.

l En effet les problèmes de bruit interviennent à peu près obligatoirement

1 dans tout ceux du conditionnement de l'air, pour de multiples raisons:

IOle conditionnement de l'air qui a pour objet d'établir et de maintenir

des conditions dites de confort met en œuvre des machines et dispositifs qui sont

1 par eux même des sources de bruits: ventilateur, pompe, compresseur d'air,

compresseur frigorifique, tour de refroidissement, réseau de distribution d'air et

1 de fluide divers, bouche de ventilation.

1 20 le conditionnement de l'air est par lui-même un moyen de rendre

l'existence et le travail possible malgré une ambiance extérieure très bruyante

1 créée par la proximité d'aérodrome, de voie ferrée, d'autoroute, de rue très

passante, etc .., en permettant d'établir dans des locaux n'ayant avec l'extérieur 1

aucune communication susceptible de laisser filtrer le bruit qui y règne, des

• conditions idéales de température, d'humidité, de renouvellement en air neuf et

pur.

fonction du conditionnement de l'air, l'isolation phonique doit être étudiée en

fonction du niveau sonore recherché et l'une et l'autre peuvent utilement être

• combinés pour arriver à la plus grande efficacité et au moindre coût global, ce

•

) 6) •

qui réclame de la part de l'installateur de conditionnement de l'air une bonne

connaissance des problèmes posés.

C'est pour ces raisons que nous donnons ci-après quelques notions

générales sur les phénomènes physiques liés aux bruits, leur action sur le confort

l humain, l'évaluation de la gène apportée par le bruit. 1

l l

1- 1 Nature des sons

On sait que la sensation sonore perçue par le cerveau est due à la détection

par l'oreille des vibrations de l'air. Les ondes sonores ainsi détectées ont,

comme tout phénomène oscillatoire, une fréquence et une vitesse de l

déplacement. Elles sont susceptibles de réflexion, de réfraction et de diffraction

comme les ondes lumineuses. 1

La vitesse du son est 331,2 mis dans l'air à ° "C, elle vane -~ , proportionnellement à la racine carrée de la température absolue, elle est

indépendante de la pression et varie très peu avec l'humidité de l'air. Elle est 1

indépendante de la fréquence de la source sonore: l'amplitude de l'ébranlement

est sans influence dans les cas ordinaires car elle est très faible: ce n'est que

dans le cas des explosions qu'il peut se former un front d'onde se déplaçant dans

l'air à plusieurs kilomètre à la seconde.

La fréquence des ondes sonores ou hauteur des sons audibles est 1

sensiblement comprise entre 16 à 16 000 vibrations par seconde: les longueurs

1 d'onde correspondantes sont de 21,3 m et de 0,0213 m pour une vitesse du son

de 340 mis. elles sont donc du même ordre de grandeur qu'un nombre • d'obstacles courants ce qui explique, en particulier, le rôle très important joué

1 par la diffraction des ondes sonores: lorsqu'une onde sonore rencontre une paroi

comportant une ouverture, celle-ci joue le rôle d'une nouvelle source sonore qui

va émettre elle-même des ondes sphériques. Le son sera donc encore audible

dans tout l'espace séparée de la source initiale par la paroi, même si cette •

dernière est constituée de matériau absorbant intégralement le bruit.

•

162•

Suivant la forme de la courbe d'enregistrement propre du son par les

appareils classiques, on distingue les sons purs, dont la courbe est voisine d'une

sinusoïde, les sons musicaux dont la courbe peut être considérée comme la (

1 superposition d'un nombre fini de courbes du type précédent et qui possède une

périodicité précise et les bruits dont la courbe a une forme très mouvementée,

l

sans que l'on puisse y déceler une périodicité. Alors que les sons purs sont

l dénués d'expressions, les sons musicaux sont essentiellement expressifs, ils

possèdent un timbre caractéristique.

La frontière entre les sons et les bruits est très difficile à tracer, elle

l dépende de l'ambiance sonore du moment.

1 1- 2 Echos et réverbérations, confort sonore d'une salle, effet masque

Si une onde correspondant à un son bref rencontre un obstacle de grande l

dimension par rapport à sa longueur une partie sera réfléchie. Pour que l'oreille

1 puisse séparé le son émis du son réfléchie, ses sons doivent lui parvenir avec un

écart d'au moins 1/10 de seconde. Si l'écart est plus court l'oreille ne perçoit 1

qu'une prolongation du son initial. S'il existe plusieurs obstacles, l'onde

1 réfléchie peut l'être à nouveau un certain nombre de fois: c'est la réverbération

du son, phénomène capital en acoustique architecturale. 1

On conçoit que dans une salle, le temps que met à s'éteindre le son après

la fin du son émission dépend essentiellement des dimensions de la salle et de la

nature des parois sur lesquelles les ondes sonores se réfléchissent un plus ou

• moins grand nom bre de fois;

On appelle temps de réverbération d'un espace clos le temps en seconde

nécessaire pour réduire de 10-6 l'énergie initiale du son, donc pour le réduire de

60 décibels.

•

•

163•

On pourrait évidemment construire une salle dont le temps de

réverbération serait nulle, c'est-à-dire, dont les murs absorberaient intégralement

les sons:

Dans une telle salle il faudrait se trouver exactement sur le trajet du

faisceau issu de la source sonore pour capter les sons qu'elle émet. On pourrait

également construire une salle dont le temps de réverbération serait très élevés

en choisissant des parois parfaitement réfléchissantes: le moindre bruit serait

formidablement amplifié et des sons successifs aboutirait à une cacophonie

inexplicable, la conversation serait impossible.

l Pour être confortable au point de vue sonore, une salle devra avoir un

'1 temps de réverbération fini.

1 1- 3 Effets physiologiques des bruits, infrasons, confort et

réglementation

1 Il est certain que le bruit a une action sur le fonctionnement de beaucoup

1 d'organes du corps humain, telle ceux assurant la respiration, la digestion, la

circulation du sang, la vue et naturellement l'audition. Dans le domaine du

1 conditionnement de l'air de confort tel qu'il s'applique aux résidences, hôtels,

bureaux, salle de spectacle, magasins, etc .., il n'y a pas à se pencher sur les 1

troubles graves que le bruit peut engendrer dans certaines industries

1 particulièrement bruyantes et pour lesquelles l'on est amené à tenir compte non

seulement du niveau de pression sonore, mais à étudier l'influence de la durée

1 d'exposition, de l'existence de surcharge momentanée de bruits, de leur

fréquence, de leur prévisibilité: dans de nombreux pays l'on étudie l'influence

du bruit sur l'absentéisme dans les ateliers, sur les pertes duudition de même ou

plus simplement sur les manques d'attention et sur la productivité.

C'est donc essentiellement dans le domaine industriel que l'on assiste à

une évolution et que les niveaux de pression sonore à respectés sont de plus en

plus bas, au point qu'un gros effort est demandé aux constructeurs de moteurs et

164

de machines pour réduire les niveaux de puissances sonores émises: dans

certains cas une attention particulière doit être portée sur les appareils de

ventilation ou de conditionnement de l'air, qui risqueraient de dépasser le niveau

toléré s'ils n'étaient pas choisies parmi les appareils silencieux ou muni

d'insonorisateurs.

Nous signalerons brièvement l'existence des infrasons dont la fréquence

va de 0 à 15 Hz et qui pour n'être pas audible n'en sont pas moins susceptibles

}

l

de déclencher certains troubles physiologiques, notamment une altération de

l'équilibre: des observateurs ont signalé qu'une fréquence voisine de 7 Hz

pouvait déclencher des phénomènes liés à la résonance de la cage thoracique et

'1 déclencher des malaises: l'énergie transmise par les infrasons est faible mais

peut se transmettre à grande distance étant encore plus difficilement absorbés

que les sons de basse fréquence.

Nous verrons à propos des ventilateurs, et cela est vrai à toute machine

reliée à des conduits d'air, qu'il y a lieu de faire une distinction entre le bruit de

carcasse, rayonné autour d'elle par la machine en faisant abstraction de l'énergie

sonore qu'elle envoie dans les conduits, et le bruit de bouche, qui correspond

précisément à cette dernière en général nettement supérieure à celle rayonnée

1 par la carcasse, la différence pouvant varier de 5 à 15 décibels suivant le type de

1

•

machine.

Le niveau de pression sonore, s'établissant dans une centrale de

conditionnement dont les ventilateurs sont reliés à l'extérieur et aux locaux

1

conditionnés par des gaines, dépendra de l'énergie sonore émise par les

carcasses des ventilateurs ct les parois des gaines: s'il aspire directement dans la

'" centrale le niveau sonore dépendra des bruits de bouche des ventilateurs.

• Le niveau de pression sonore s'établissant dans les locaux conditionnés

dépendra de l'atténuation apportée par le réseau de gaine et les bouches à la

•

• 165

1

puissance sonore du bruit de bouche du groupe de conditionnement comportant

le ou les ventilateurs.

Si ces derniers sont dans le local conditionné c'est encore le bruit de

bouche qui créera en général le niveau sonore.

Le gène créé éventuellement dans le voisinage dépendra du bruit de

bouche des ventilateurs aspirant à l'extérieur pour souffler dans l'installation et

de ceux aspirant dans l'installation pour rejeter l'air vicié à l'extérieur.

L'étude très poussée des nuisances acoustiques a conduit à essayer de

tenir compte des durées d'expositions aux bruits, par exemple dans les ateliers,

ou de l'influence de bruits assez brefs mais intense tels que ceux perçus sur les

aérodromes lors des décollages d'avion.

, Il a été préconisé par une commission technique française l'adoption

d'une coure correspondant à un spectre limite: c'est une ligne brisée dont les

coordonnées sont les suivantes en fonction des fréquences:

Hz: 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000

dB: 95 90 85 80 80 80 80 80

Nous avons pensé intéressant de donner ci-après un tableau de

correspondance entre les pressions sonores, les niveaux de pression,

l'impression subjective, la possibilité de conversation et des exemple de nature

de bruits afin de bien situer les relation entre ces grandeurs ou phénomènes.

1 1 1

166

Pression sonore Pascal

Niveau de pression décibels

140

Impression subjective

Destruction de l'oreille

Conversation Nature des bruits

100 Impossible

10 120 Bruits

supportables pendant un court

instant seulement Ateliers

bruyants

1 100 En criant

1 1

90 Bruits

pénibles

1 0,1

80 Difficile

1 70

Bruits supportables

A voix forte Télévision

Trafic de la rue

'1 0,01

60

1

0,001

50

40

Bruits courants

Calme

A voix normale Appartement en

ville

il 30

•

0,000 l

0,00002

1

20

10

°

Très calme

Silence anormal

A voix chuchotée

Résidence à la campagne

Studio d'enregistrement

Laboratoire d'acoustique

Tableau 1 (annexes 1) : Niveau sonore et impression subjective

• 167

II - Orientation du local

h = heure solaire

m = coefficient de rayonnement solaire absorbé par les parois opaques

(kcal/m/.h) -1

1 V = coefficient de rayonnement solaire absorbé par les vitrages (kcal/rrr.h)

Orientation des Vertical surfaces NE E SE S NO 0 SO

l Hémisphère nord Nord est Est Sud est Sud Nord Ouest Sud

1 (1er août) ouest ouestl

Hémisphère sud Sud Oues Nord Nor Sud Est Nord est (1er février) Ouest t ouest d ouest

Surfaces horizontales (plafond) : hémisphère Nord et Sud = H

:1 LATITUDE 00

NE E SE S H h1 .. fi V fi V m v m v m v

6 18 7 240 205 245 215 110 80 85 60 65 30 17 8 490 420 490 420 200 145 185 135 280 215 16 9 520 440 480 410 165 105 225 165 480 410 15 10 460 375 375 290 70 35 250 180 650 560 14

1 Il 350 255 200 180 255 190 760 660 13 12 200 100 255 190 785 690 12 h m v m v m v m v fi v1 .1NO 0 SO S H

1

1

1

•

• 168

LATITUDE 10°

t NE m v m

E v m

SE v m

S v m

H v )

6 30 25 33 29 15 10 15 10 5 18

~ 1 7 8

280 490

240 420

300 525

280 450

145 255

105 180

75 130

55 85

100 340

60 260

17 16

9 470 395 500 420 235 145 130 70 540 465 15 ] 10

Il 380 250

290 150

380 205

295 100

155 35

60 120 110

60 55

695 800

600 700

14 13

l 12 h

100 m

25 v m v m v

110 m

50 v

825 m

725 v

12

NO 0 SO S H -J

LATITUDE 20°

'j NE E SE H h

~ '~1 6

m 180

v 165

m 190

v 170

m 90

v 60

m 20

v 5 18

7 375 340 485 375 215 175 160 110 17

1 8 9

460 410

395 330

555 505

495 440

310 310

250 225

380 560

315 495

16 15

'1" 10 Il

290 150

200 65

375 205

295 100

245 140

155 50

715 800

630 720

14 13

12 825 740 12 '1 h m v m v m v m v

~ NO 0 SO H

l LATITUDE 30°

t NE E SE S H h 1.

" 6 m

210 v

190 m

230 v

205 m

110 v 85

m v

~ fi40 V15 ~ 18

7 380 340 455 405 225 210 190 135 17 8 425 360 565 495 370 290 ~~~r---

f------- ---~r------

400 325, 16 9 340 250 505 435 380 290 25 5 575 500 15

11II 10 205 120 375 290 330 245 85 25 705 630 80 Il 50 10 200 110 235 145 125 50 790 705 13

• 12 h m v m v

100 m

30 v

140 m

55 v

820 m

735 v

12

NO 0 SO S H ~ •

- 169

LATITUDE 35°�

+ NE E SE S H h m v m v m v m v m v

6 245 205 285 240 130 100 55 25 18 7 390 345 485 430 290 225 210 150 17 8 405 340 565 495 395 325 405 335 16 9 310 225 510 435 415 330 75 20 570 495 15 10 160 75 380 290 375 280 150 70 700 615 14 Il 5 200 110 280 190 195 105 790 680 13 12 150 70 210 120 805 720 12 h m v m v m v m v m v

NO a sa S H .t

Tableaux 2 (annexes 1) : Tableaux donnant I (mur) et I (vitr.) en fonction de la latitude et des heures d'apport solaires maximal

l

'1

Il

•

...

•

•

170•

1

l

l

1

1

Il

•

•

Température sèche du local (OC)TYPE

D'ACTIVITE 17 18 21 23

Humidité 25 27 29

Assis au repos (salles de 31 37 46 58 66 80 98

spectacles) Assis, travail

léger ou debout au repos 38 46 60 72 85 101 ~ (hôtels,

appartements) Assis travail

modéré (travail 51 61 80 95 110 127 147 de bureau)

Debout, travail léger (travaux 82 99 121 142 158 175 200 de montage, banques etc.)

Travail modéré (vendeur actif 103 116 140 183 182 203 227

machiniste etc.) Travail actif

(supermarché 126 141 170 196 216 237 260 etc.)

Travail intense serveur très 192 213 245 274 290 334 337 actif etc.)

Travail pénible (marche rapide, 290 319 357 386 404 428 460

danse rapide etc.)

Tableau N°3 (annexetl : Apports d'humidité dus aux occupants

en gramme d'eau 1personne

171

III - Entretien

L'entretien de l'appareil est d'une importance capitale. Cela se ressent sur

le fonctionnement et la durée de vie de l'appareil. Par ailleurs, nous signalerons

une infection pouvant découler d'un mauvais entretien des climatiseurs; un

phénomène qui prend de l'ampleur appelé « la légionellose ». La légionellose

est une infection provoquée par des bactéries du genre Legionella. Elle peut

prendre deux formes:

• Une forme banale (ou fièvre de Pontiac) qui provoque un syndrome 1 grippal et une toux sèche pendant 2 à 5 jours;

" • Une forme plus grave, qui peut entraîner la mort dans 15 à 20 % des cas.

La présence de dépôts organiques et d'autres micro-organismes, la

présence de fer, zinc et aluminium dans les installations favorisent leur

croissance.

C'est en 1976 que fut découverte et isolée cette maladie. Cette année-là, 1

elle a entraîné le décès d'une trentaine d'anciens combattants de l'armée des USA

) de la seconde guerre mondiale. La légionellose est une maladie à déclaration

obligatoire. Le germe responsable est un bacille vivant dans l'eau douce dont la

1 température optimale de prolifération se situe entre 35 et 40° C. On peut le

trouver dans tous les milieux aquatiques naturels ou artificiels, notamment dans 1

les installations sanitaires (douches, robinets...), les installations de climatisation

et les dispositifs de refroidissement (tours aéroréfrigérantes, circuits de

refroidissement industriel), les bassins ct fontaines, les eaux thermales el. les

équipements médicaux producteurs d'aérosols. Le traitement repose sur des

antibiotiques. La contamination se fait par les voies respiratoires (lors de

l'inhalation d'aérosol d'eau contaminée). Installations défectueuses et entretien

non effectué suffisent à engendrer des niveaux considérables de pollution de

l'air.

•

• 172

Les légionelles trouvent dans les cuves de refroidissement les conditions

propices à leur prolifération. Au dessus de 20°C, elles peuvent même atteindre

des concentrations considérables qui avoisinent 1 million par litre d'eau. En

fonction des conditions climatiques, ces micro-gouttelettes peuvent se déplacer

sur près de 2 km et survivre 2 heures à l'air. Ainsi, les systèmes de climatisation

sont d'importants vecteurs de contamination si ils sont mal entretenus. Les

premiers symptômes ressemblent à une grippe (fièvre, toux sèche) puis la fièvre

augmente.

Il est important de nettoyer régulièrement les canalisations d'eau

sanitaires et tous les systèmes de climatisation. Le chlore ne suffit pas à éliminer

les bactéries. D'où la nécessité d'avoir un programme de maintenance pour

éviter de créer toute condition favorable à la prolifération de la maladie ou de

toute autre infection. Par exemple, un nettoyage très régulier du filtre à air évite

une accumulation de poussières et particules qui altèrent le rendement, et les

qualités d'hygiène de l'air brassé par le climatiseur. De plus, cela augmente le

bruit. Une fois dans le mois, il faudra procéder au programme d'entretien ci

dessous:

ATTENTION: AVANT TOUTE MANIPULATION, IL FAUDRA

ETEINDRE ET DEBRANCHER L'APPAREIL.

•� Eteindre et débrancher l'appareil ;

•� Entreposer l'appareil dans un endroit aéré;

!:!� Enlever les vis de fixations de la carcasse arrière et les regrouper;

Enlever le filtre à air et le nettoyer soigneusement;

•� Ouvrir le robinet fontaine au maximum; llII'

• Ouvrir la portière au maximum;

.. • Remplir le bac à glace d'eau et de produit nettoyant;

•� Enlever les vis de vidange;-�-�

III

173

•� Nettoyer l'intérieur du ventilateur (attention à ne pas mouiller le bloc

moteur), du diffuseur et du bac à glace;

•� Laisser sécher complètement;

•� Remettre en place le filtre à air et les vis de fixations;

•� Un nettoyage régulier de la carrosserie avec un chiffon sec ou une éponge

humide si elle est très sale est suffisant pour maintenir son aspect;

•� S'assurer que rien ne bloque la circulation de l'air;

•� Faire fonctionner le ventilateur pendant 30 minutes;

•� Ne jamais faire fonctionner l'appareil avec un filtre endommagé;

•� En cas de non utilisation prolongée, ranger l'appareil dans un endroit sec

et aéré.

Ces opérations ne nécessitent pas une quelconque qualification mais elles

doivent être menées avec beaucoup de soin et de prudence.

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PROJET DE FIN D'ETUDES - beep.ird.fr · Abdourahimou NDIAYE . Je dédie ce rapport à ma défunte mère Ramatoulaye BA pour toutes ses prières et les valeurs qu'elle nous a inculquées